2.5. Контактная разность потенциалов

Наличие ионов примесей в запирающем слое p–n перехода создает разность потенциалов , которую называют потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов. Значение контактной разности потенциалов определяется положениями уровней Ферми в областях n– и p–типа

. (2.13)

А для нахождения ее величины воспользуемся тем, что ток диффузии уравновешивается током дрейфа одноименных носителей

, (2.14)

. (2.15)

Учитывая, что коэффициент диффузии связан с подвижностью носителей заряда соотношением Эйнштейна

, (2.16)

где величину  – называют тепловым потенциалом , из (2.15) получим

. (2.17)

Интегрируя это выражение и используя условие (2.13), получим выражение для контактной разности потенциалов

. (2.18)

Контактная разность потенциалов зависит:

1. От ширины запрещенной зоны полупроводника. При одинаковых концентрациях примесей она выше у полупроводников с большей шириной запрещенной зоны.

2. От концентрации примесей в смежных областях полупроводника. При их увеличении контактная разность потенциалов возрастает.

3. От температуры полупроводника. При ее увеличении контактная разность потенциалов уменьшается.

2.6. Прямое включение p–n перехода

При подключении к p–n переходу внешнего электрического поля динамическое равновесие токов нарушается. Поведение p–n перехода зависит при этом от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение приложено навстречу контактной разности потенциалов, то такое включение p–n перехода называют прямым (рис. 2.5,а). Внешнее (прямое) напряжение почти полностью падает на p–n переходе, сопротивление которого во много раз выше сопротивления p– и n–областей. С увеличением прямого напряжения высота потенциального барьера уменьшается . Основные носители областей полупроводника, приближаясь к p–n переходу, частично компенсируют объемные пространственные заряды, уменьшая тем самым ширину запирающего слоя и его сопротивление (рис. 2.5,б). В цепи протекает электричес кий ток, при этом диффузионная составляющая тока через переход увеличивается, а дрейфовая – уменьшается.

При толщина p–n перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении запирающий слой исчезает. Вследствие чего электроны и дырки (основные носители заряда в n– и p–областях) начинают свободно диффундировать в смежные области полупроводника. Увеличение диффузионной составляющей тока через p–n переход при неизменной дрейфовой составляющей приводит к нарушению термодинамического равновесия

.

Через переход протекает ток, который называется прямым.

Процесс переноса носителей заряда через прямосмещенный электронно–дырочный переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией. Часто прямой ток называют током инжекции.

В несимметричном p–n переходе, когда концентрация электронов в n–области во много раз больше концентрации дырок в p–области, диффузионный поток электронов во много раз превышает поток дырок и ими можно пренебречь. В данном случае имеет место односторонняя инжекция электронов. Область, из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются носители, – базой.

Неравновесные неосновные носители зарядов диффундируют в глубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление электронейтральности происходит за счет поступления носителей заряда от внешнего источника взамен ушедших к p–n переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Это приводит к появлению электрического тока во внешней цепи – прямого тока.