dsd1-10 / dsd-01=Компоненты ИС / Staroselskiy OLD / 01.diodes / 3
.doc
3. Неравновесное состояние р-п перехода
3.1. Прямое и обратное включение р-п перехода
— прямое смещение;
— обратное смещение.
Изменяется высота барьера:
.
Следствия:
1). Изменяется ширина перехода: .
2). Изменяюстя концентрации носителей заряда на границах с ОПЗ:
;
.
3). Изменяются (сильно), а также (слабо).
3.2. Квазиуровни Ферми для электронов и дырок
Ансамбли электронов и дырок описываются функциями распределения:
Ev
Fi
F
Ec
E 1 1/2 0 fn0 р п
В состоянии равновесия:
;
.
Положение F определяет значения п0 и р0. При , :
; (3.1а) ; (3.1.б) .
Если равновесие нарушено не слишком сильно, функции распределения похожи на равновесные, но сдвинуты по энергиям:
;
.
Причина: для электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне функции распределения релаксируют к равновесным быстро:
с — время релаксации энергии.
Для всего ансамбля (электроны + дырки) — гораздо медленнее:
с — время жизни.
Положения Fп и Fп определяют значения п и р0. При , :
; ; .
Градиенты квазиуровней Ферми определяют токи:
.
; .
3.3. Энергетическая диаграмма неравновесного р-п перехода
1). V > 0.
; ;
Инжекция дырок из р – области в п –область: ;
инжекция электронов из п – области в р – область: .
Если рекомбинация в ОПЗ незначительна, то в ОПЗ квазиуровни Ферми почти горизонтальны:
.
Обоснование: в ОПЗ — не зависит от .
.
почти во всей ОПЗ. Следовательно,
; .
Аналогично .
2). V < 0.
Экстракция дырок из р – области: ;
экстракция электронов из п – области: .
3.4. Граничные условия и уровень инжекции
Избыточные концентрации носителей заряда: ;
.
В ОПЗ (и на ее границах): ;
. (3.2)
Вне ОПЗ (и на ее границах) — квазинейтральность:
; . (3.3)
Из (3.2) и (3.3) на границе ОПЗ и базы п-типа :
; . Отсюда:
(3.4а)
Аналогично на границе ОПЗ и эмиттера р-типа :
(3.4б)
Уровень инжекции: отношение концентрации неосновных носителей к равновесной концентрации основных носителей.
Для п-типа ; для р-типа .
НУИ: . ВУИ: .
Уровни инжекции в базе (п-типа) и эмиттере (р-типа):
. .
При НУИ в базе и эмиттере , , и из (3.2):
; . (3.5а) Граничные
; (3.5а) условия Шокли
При ВУИ в базе , и из (3.2): . (3.6)
В эмиттере ВУИ быть не может.
3.5. Ширина р-п перехода
В формулах для равновесной ширины р-п перехода: .
Ступенчатый р-п переход: Линейный р-п переход
. .
В общем случае:
, где .
Основные результаты
1. Токи дрейфа и диффузии пропорциональны концентрациям носителей заряда и градиентам квазиуровней Ферми.
2. Квазиуровни Ферми в ОПЗ постоянны. Расстояние между ними равно приложенному напряжению.
3. Напряжение на переходе определяет граничные концентрации носителей заряда. При НУИ справедливы граничные условия Шокли, при ВУИ в базе .
4. Ширина р-п перехода зависит от напряжения и определяется соотношением , где .