2.2. Токи через р-п переход в равновесном состоянии

Градиенты концентрации подвижных носителей заряда, а также градиент электрического потенциала в р-п переходе вызывают появление диффузионных и дрейфовых токов через переход. Механизмы протекания этих токов схематически представлены на рис.2.1, где дырки изображены кружками со знаком (+), электроны - со знаком (-).

Концентрация электронов в зоне проводимости п-области уменьшается по мере увеличения их энергии от уровня . Под действием хаотического теплового движения электроны могут попадать из п-области в р-п переход. Наименее энергичные электроны (с энергией близкой к ) отражается потенциальным барьером и возвращаются в п-область (процесс 1 на рис.2.1). Более энергичные электроны дальше проникают в область перехода, однако, если их кинетическая энергия меньше высоты барьера , они также возвращаются в п-область, не вызывая тока через переход (процесс 2). Наконец, энергичные электроны с кинетической энергией, большей , могут преодолеть барьер (процесс 3). Такие носители вызывают протекание через переход диффузионного электронного тока с плотностью (рис.2.1), направленного вдоль оси х (направление электронного тока противоположно направлению потока электронов).

Этот ток полностью компенсируется встречным потоком электронов из р- области. В р-области электроны являются неосновными носителями и содержатся в небольшом количестве. Если под действием теплового движения электроны попадают из р-области в переход, они подхватываются электрическим полем перехода и переходят в п-область (процесс 4), вызывая протекание через переход дрейфового тока электронов , направленного против оси х (вдоль поля). В состоянии термодинамического равновесия диффузионный и дрейфовый токи электронов в точности компенсируют друг друга:

. (2.7а)

Аналогичным образом взаимно компенсируются диффузионная и дрейфовая составлявшие дырочного тока (процессы I'-4'):

. (2.76)

Помимо рассмотренных механизмов протекания тока, существуют токи, связанные с процессами термогенерации и рекомбинации электронно-дыроч-ых пар в области перехода. Дырки и электроны, проникающие в переход со стороны р- и п-областей соответственно, имеют конечную вероятность рекомбинировать в переходе (процесс 5-5'). С этим процессом связан ток, протекающий в направлении оси х. С другой стороны, при термогенерацаи электронно-дырочных пар в переходе образовавшиеся носители заряда подхватываются электрическим нолем, причем электроны переносятся в п-область, а дырки - р-область (процесс 6-6'). Возникающий при этом ток термогенерации направлен против оси х (вдоль поля) и в точности компенсирует ток рекомбинации:

. (2.7в)

Разумеется, суммарная плотность тока через переход в состоянии равновесия равна нулю:

. (2.8)

Система равенств (2.7) сильнее равенства (2.8), так как свидетельствует о детальном равновесии встречных потоков электронов и дырок. Это равновесие является частным случаем проявления общего принципа детального равновесия.

Заметим также, что каждый из рассмотренных токов должен иметь малую величину. Дрейфовые токи малы ввиду того, что переносятся неосновными носителями в р- и п-областях, концентрации которых чрезвычайно низки. Диффузионные токи малы ввиду того, что они переносятся только наиболее энергичными носителями с кинетической энергией, большей высоты барьера , число которых также невелико. Наконец, токи рекомбинации-герации малы ввиду малых размеров р-п перехода (число генерированных пар мало) и малого времени пребывания носителей в переходе (число рекомбинирующих пар мало).