6. Квазиуровни Ферми в анизотипных гетеропереходах.

Приложенное к p-N-гетеропереходу внешнее напряжение прямой полярно­сти уменьшает величину барьера, образованного контактной разностью потен­циалов, приводя к увеличению диффузии носителей из одной области в другую, по сравнению с равновесным случаем.

При этом изменение концентрации носителей заряда по сравнению с равновесным происходит лишь в областях, равных диффузионным длинам элек­тронов ( ) и дырок ( ) и расположенных по обе стороны гетероперехода в p-области и N-области, соответственно. Эти изменения происходят за счет суще­ственного увеличения концентрации неосновных носителей в каждой области вблизи гетероперехода. Концентрации неосновных носителей больше не явля­ются равновесными.

Концентрация же основных носителей в каждой из этих областей лишь незначительно отклоняется от своего равновесного значения при протекании электрического тока.

При приложении внешнего положительного напряжения величины U, зна­чение контактной разности потенциала уменьшается на величину qU на диа­грамме, приведенной на рис. 1, происходит смещение энергетических уровней N-типа полупроводника вверх по энергетической шкале на величину равную qU. В областях вблизи гетерограницы, по обе стороны от нее, происходит уве­личение концентрации неосновных носителей. Границы этих областей опреде­ляются значениями диффузионных длин ( ) и ( ) для электронов в p-области и дырок в N-области соответственно.

Увеличение числа неосновных носителей вблизи гетерограницы можно определить потенциалами неравновесных уровней Ферми введенными для электронов в зоне проводимости и в валентной зоне, соответственно:

.

Квазиуровни Ферми и разделяются вблизи гетерограницы на два уровня и , как показано на рис. 2. Область гетероперехода с разделенны­ми квазиуровнями Ферми можно рассматривать как двухуровневую систему с верхним -уровнем (уровень 2) и с нижним -уровнем (уровень 1) и пользоваться теорией двухуровневых квантовых систем.

Концентрации неосновных носителей определяются по формулам (20) и (21);

Где - собственная концентрация носителей,

- потенциал для уровня Ферми в собственном полупроводнике:

Рис. 2. Квазиуровни Ферми в анизотипных гетеропереходах

Перемножение выражений в (20) дает

Предполагается, что уровень - расположен в середине запрещенной зоны и не зависит от характера легирования. Его можно рассматривать в качестве эталонного уровня на всем протяжении гетероперехода.

В отсутствие внешнего напряжения для всего кристалла имеет место равенство:

На рис. 2 показано разделение квазиуровней Ферми при прямом смещении вблизи ОПЗ и в объеме N- и p-полупроводников где , определяются степенью легирования полупроводников и диффузионными длинами .

Для удобства на рис. 2 рассмотрен случай непрерывных .Не показаны разрывы при х = 0, по следующей причине. При большом прямом смещении, что всегда имеет место в излучателях, значения энергетических барьеров для носителей в активной зоне гетероперехода сохраняются независимо от значений разрывов .