3. Неравновесное состояние р-п перехода

3.1. Прямое и обратное включение диода

Подключение внешнего источника напряжения между р- и п-областями перехода изменяет высоту потенциального барьера. Если внешнее напряжение подключено плюсом к р-слою, высота барьера уменьшается. Такое включение называется прямым (рис.3.1,а). Напряжение обратной полярности увеличивает высоту барьера. Такое включение называется обратным (рис.3.1,б).

Так как область р-п перехода почти не содержит подвижных носителей заряда и обладает повышенным сопротивлением, будем считать, что все внешнее напряжение приложено к р-п переходу. Изменение высоты потенциального барьера приводит к двум главным следствиям:

1) изменяется ширина р-п перехода;

2) изменяются концентрации носителей на границах р-п перехода. Прежде чем анализировать неравновесное состояние р-п перехода, полезно рассмотреть его энергетические диаграммы ври прямом и обратном включении.

3.2. Квазиуровни Ферми для электронов и дырок

В неравновесном состоянии закон действующих масс не выполняется: . В связи с этим введенное ранее понятие уровня Ферми теряет смысл, Вместо уровня Ферми вводят понятия о квазиуровнях Ферми для электронов и дырок.

Квазиуровни Ферми и в невырожденном полупроводнике определяются уравнениями:

, (3.1)

. (3.2)

Следует помнить, что уровень характеризует заполнение электронами зоны проводимости, а уровень - заполнение дырками валентной зоны. Таким образом, отсутствие вырождения соответствует условиям:

, .

Легко видеть, что в состоянии равновесия квазиуровни Ферми совпадают с уровнем Ферми:

.

Дырочный и электронный токи могут быть выражены через градиенты соответствующих квазиуровней Ферми. В частности:

. (3.3а)

Таким же образом

. (3.3б)

3.3. Энергетические диаграммы неравновесного р-п перехода.

Энергетические диаграммы р-п перехода при прямом и обратном включении показаны на рис. 3.2. Если переход находится в состоянии равновесия (рис. 2.1), небольшая доля электронов из р-области и дырок из п-области имеет достаточную кинетическую энергию для преодоления потенциального барьера. Эти носители создают диффузионные потоки электронов из п- в р-область и дырок - в обратном направлении.

Диффузионные потоки уравновешиваются дрейфовыми потоками неосновных носителей (электронов из р-области и дырок из п-области), которые случайно приближаются к барьеру и подхватываются его электрическим полем.

При прямом смещении (рис.3.2,а) вследствие уменьшения высоты барьера диффузионные потоки основных носителей увеличиваются, дрейфовые же остаются неизменными. В результате из р- в п-область течет ток, величина которого тем больше, чем ниже барьер, т.е. чем больше прямое смещение. Высота барьера составляет .

Электроны и дырки, инжектированные в р- и п-области соответственно, нарушают равновесное распределение носителей вблизи перехода. В окрестности перехода квазиуровень Ферми для электронов лежит выше, чем квазиуровень Ферми для дырок. Вдали от перехода квазиуровни Ферми совпадают, так как инжектированные носители рекомбинируют, не успевая достигнуть этой области. При р-п переход заливается электронно-дырочной плазмой, его сопротивление падает, и приложенное напряжение распределяется по всему образцу в соответствии с его проводимостью.

При обратном смещении вследствие увеличения высоты барьера диффузионные потоки носителей практически прекращаются. дрейфовые же потоки, как и прежде, остаются неизменными. В результате через переход течет малый обратный ток, созданный неосновными носителями, случайно приблизившимися к р-п переходу. Этот ток не зависит от обратного напряжения, если оно достаточно велико. В окрестности р-п перехода квазиуровень Ферми для электронов расположен ниже, чем для дырок.