2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

При подаче на р-п переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности.

Внешнее напряжение, подключенное плюсом к p-области, а минусом к п-области, называют прямым напряжением U_np (рис. 1.9,а). Напряжение U_np почти полностью падает на р-п переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р- и «-областей.

^рсР

	1 1 1 1 1 1
1 *0	U 1 l/j
	f У i	<1 II с X 1 С

'пр

+'«©«© +'*€НЭ +1 C+J5©

(ЬМЕН- ©*©-!-

Рис. 1.9. Электронно-дырочный переход при прямом напряже­нии: а — схема включения; 6 — потенциальный барьер

Полярность внешнего напряжения U_np противоположна по­лярности контактной разности потенциалов U_K, поэтому элект­рическое поле, созданное на р-п переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В ре­зультате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на р-п переходе (рис. 1.9,6):

Ф ⁼⁼ U_K U_np.

Вследствие разности концентраций дырок в р- и м-областях, а электронов в п- и p-областях основные носители заряда диф­фундируют через р-п переход, чему способствует снижение по­тенциального барьера. Через р-п переход начинает проходить диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители за­ряда в обеих областях движутся к р-п переходу, обогащая его подвижными носителями и уменьшая таким образом ширину I обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления р-п перехода и возрастанию диффузионного тока. Однако пока U_np

меньше U_K, еще существует потенциальный барьер; обедненный носителями заряда слой р-п перехода имеет большое сопротив­ление, ток в цепи имеет малую величину.

При увеличении внешнего прямого напряжения до (У_пр = U_K потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стре­мится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя р-п перехода, обедненного носителями заря­да, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электро­проводности. В результате этого через р-п переход по цепи по­течет сравнительно большой ток, называемый прямым током /_пр, который с увеличением прямого напряжения растет.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный пере­ход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барь­ера называют инжекцией.

В симметричном р-п переходе инжекции дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в p-область по интенсив­ности одинаковы.

Инжектированные в n-область дырки и в p-область электроны имеют вблизи границы большую концентрацию, уменьшающуюся по мере удаления от границы в глубь соответствующей области из-за рекомбинаций. Большое количество неосновных носителей заряда у границы компенсируется основными носителями заряда, которые поступают из глубины области; например, инжектиро­ванные в n-область дырки — электронами. В результате этой компенсации объемных зарядов, создаваемых у р-п перехода инжектированными неосновными носителями, полупроводник ста­новится электрически нейтральным.

Движение основных носителей заряда через р-п переход соз­дает электрический ток во внешней цепи. Уход электронов из n-области к р-п переходу и далее в p-область и исчезновение их в результате рекомбинации восполняется электронами, которые поступают из внешней цепи от минуса источника питания. Со­ответственно, убыль дырок в p-области, ушедших к р-п переходу и исчезнувших при рекомбинации, пополняется за счет ухода электронов из ковалентных связей во внешнюю цепь к плюсу ис­точника питания.

Неосновные носители заряда, оказавшиеся в результате ин­жекции в области с противоположным типом электропроводнос­ти, например дырки, инжектированные из p-области в п-область, продолжают движение от границы вглубь. Это движение проис­ходит по причине как диффузии, так и дрейфа, поскольку имеется и градиент их концентрации, и электрическое поле в полупроводни­ке, созданное внешним напряжением. Диффузия преобладает вблизи р-п перехода, а дрейф — вдали от него, внутри соответст­

вующей области. На определенном расстоянии от р-п перехода концентрация инжектированных неосновных носителей заря­да убывает до нуля вследствие рекомбинации. В итоге кон­центрация неосновных носителей остается такой, какой была в равновесном состоянии при отсутствии внешнего напряжения, т. е. обусловленной собственной электропроводностью полупро­водника. Дрейф неосновных носителей заряда теплового проис­хождения в сторону от р-п перехода внутрь области создает тепловой ток /_т. Тепловой ток на несколько порядков меньше диффузионного тока основных носителей заряда, т. е. прямого тока /_пр, и имеет противоположное ему направление.

Прямой ток создается встречным движением дырок и элект­ронов через р-п переход, но направление его соответствует на­правлению движения положительных носителей заряда — дырок. Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника пря­мого напряжения через полупроводниковый кристалл к минусу источника.

Мы рассмотрели процессы в симметричном р-п переходе.

В используемых на практике несимметричных р-п переходах, имеющих неодинаковые концентрации акцепторов и доноров, инжекция носит односторонний характер. Например, если кон­центрация дырок в p-области на несколько порядков превышает концентрацию электронов в п-области (р_Р^$>п_п), то диффузия дырок в n-область будет несоизмеримо больше диффузии электро­нов в p-область. В этом случае можно говорить об односторонней инжекции дырок в n-область, а диффузионный ток через р-п пе­реход считать дырочным, пренебрегая его электронной состав­ляющей. Таким образом, в несимметричном р-п переходе носи­тели заряда инжектируются из низкоомной области в высоко­омную, для которой они являются неосновными.

При несимметричном р-п переходе область полупроводника с малым удельным сопротивлением (большой концентрацией при­меси), из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются неосновные для нее носи­тели заряда, — базой.