4.5. Электронно-дырочный переход под воздействием внешнего напряжения

Под влиянием внешних воздействий функции распределения электронов и дырок отклоняются от равновесных. Эти отклонения выражаются в изменении средней энергии носителей заряда, а также в ненулевом среднем значении квазиимпульса. После снятия внешнего воздействия вид функции распределения возвращается к равновесному вследствие столкновений частиц между собой, с дефектами кристаллической решетки, а также межзонных переходов.

Для электронов проводимости и дырок в валентной зоне равновесные значения средней энергии и импульса восстанавливаются, соответственно, за время релаксации энергии τ_W и время релаксации импульса τ_р. Это время составляет порядка 10^-13 – 10^-11 с.

Межзонные переходы восстанавливают равновесные значения концентраций электронов и дырок за время жизни неравновесных носителей τ, которое составляет 10^-9 – 10^-5с, то есть значительно превышает время релаксации.

При небольших внешних воздействиях неравновесные функции распределения похожи на равновесные, но сдвинуты по энергиям, что соответствует замене энергетического уровня Ферми квазиуровнями Ферми как для электронов, так и для дырок:

; .

Квазиуровень Ферми W_Fп характеризует заполнение электронами зоны проводимости, а квазиуровень W_Fр характеризует заполнение дырками валентной зоны. Положения квазиуровней Ферми определяют значения неравновесных концентраций электронов и дырок. Неравновесные концентрации носителей заряда определяются выражениями

; ;

.

Избыточными концентрациями электронов и дырок называются их превышения над равновесными

; .

Локальная электрическая нейтральность полупроводника соответствует выполнению равенства

.

Поскольку однородный легированный полупроводник электронейтрален

,

то, вычитая из первого равенства второе, получим условие электронейтральности в виде .

Внешнее напряжение, приложенное к р-п переходу, будет изменять высоту потенциального барьера и соотношение между диффузионным током и током проводимости через переход.

Предположим, что к р-п переходу приложено напряжение такой полярности, что напряженность внешнего поля Е, создаваемого этим напряжением, совпадает по знаку с собственной напряженностью поля перехода Е₀, то есть к n-области подключен плюс источника внешнего напряжения, а к р-области – минус (рис. 4.11). Напряжение с указанной полярностью называется обратным.

Так как область объемного заряда обеднена основными носителями и обладает повышенным сопротивлением, то преобладающая величина напряжения, приложенного извне, будет падать именно в этой части полупроводника. Падением напряжения в объеме полупроводника, находящегося за пределами о бласти объемного заряда, практически можно пренебречь.

Приложенное извне напряжение суммируется с напряжением контактной разности потенциалов Δφ = Δφ₀ + U. Высота потенциального барьера в этом случае изменится на величину, определяемую внешним напряжением е₀U (рис. 4.12).

Увеличение высоты потенциального барьера не отражается на величине тока проводимости через переход. Величина этого компонента тока определяется только количеством неосновных носителей, появляющихся на границе области объемного заряда в каждую единицу времени. Это количество зависит только от скорости возникновения неосновных носителей и их концентрации в данном полупроводнике. Средняя скорость неосновных носителей (тепловое движение) и их концентрация для данного полупроводника при данной температуре являются постоянными величинами, следовательно, ток проводимости через переход не будет зависеть от высоты потенциального барьера.

Основные носители под действием электрического поля источника будут дрейфовать от пограничных к переходу слоев в глубь полупроводника. В результате ширина обедненного основными носителями слоя увеличивается по сравнению с равновесным состоянием и сопротивление р-п перехода возрастает. Следовательно, диффузионный ток через переход сильно зависит от высоты потенциального барьера, так как согласно распределению Ферми по мере увеличения потенциального барьера все меньшее количество основных носителей оказывается способным преодолеть этот барьер. При больших обратных напряжениях ток диффузии становится пренебрежимо мал, ток через переход стремится к величине дрейфового тока. Этот ток называют обратным током насыщения р-п перехода и обозначают I₀.

И зменим теперь полярность приложенного внешнего напряжения так, что к р-области будет подключен плюс источника внешнего напряжения, а к п-области – минус (рис. 4.13). При этом внешнее электрическое поле будет направлено противоположно внутреннему, то есть будет ослаблять его. Такое включение перехода называют прямым. В этом случае внешнее напряжение будет уменьшать величину контактной разности потенциалов Δφ = Δφ₀ – U и потенциальный барьер понизится.

Под действием внешнего поля основные носители заряда из толщи полупроводника будут перемещаться к р-п переходу. Это приведет к тому, что недостаток носителей в приконтактных слоях уменьшится, толщина электронно-дырочного перехода также становится меньше и сопротивление перехода тоже уменьшается. В этом случае высота потенциального барьера уменьшится на величину е₀U (рис. 4.14).

Ток проводимости при этом так же, как в первом случае, останется неизменным, а диффузионный ток будет возрастать. Неосновные носители заряда, поступающие в переход под воздействием внешнего напряжения, нарушают равновесие в области перехода.

Концентрации неравновесных носителей на границе р- и п-областей определятся выражениями:

;

.

Если к переходу приложено прямое напряжение, то концентрации неосновных носителей заряда в слоях, примыкающих к границам перехода, возра-стают по сравнению с равновесными значениями. Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда.

Отношение концентрации неравновесных носителей к равновесной концентрации основных носителей называется уровнем инжекции

.

В условиях электронейтральности при низком уровне инжекции в однородном полупроводнике концентрация основных носителей близка к равновесной. При высоком уровне инжекции практически одинаковы концентрации основных, неосновных и инжектированных носителей заряда.

Область полупроводника, назначением которой является инжекция носителей заряда, называется эмиттерной. Область полупроводника, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, называется базовой.