Электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии. Если к p-n переходу подключить источник напряжения, то равновесное состояние нарушается – в цепи потечет ток

Если к p-n переходу подключить источник напряжения, то равновесное состояние нарушается – в цепи потечет ток. Так как сопротивление обедненного слоя значительно превышает сопротивление нейтральных областей, то при малом токе внешнее напряжение U практически полностью прикладывается к обедненному слою. Под действием этого напряжения изменяется высота потенциального барьера.

Если плюс источника питания подключен к р-области, а минус к n-области, то напряжение на переходе называют прямым (U > 0). При прямом напряжении потенциальный барьер понижается, поскольку внешнее поле направлено навстречу внутреннему полю перехода. При обратном напряжении на переходе (минус источника подключается к р-области) потенциальный барьер повышается, так как внешнее поле складывается с внутренним.

Вместе с высотой потенциального барьера изменяется и его толщина. При обратном напряжении L_об увеличивается, что можно объяснить смещением основных носителей от перехода под действием электрического поля. При этом обнажаются дополнительные ионы примесей у границ перехода, что приводит к росту толщины обедненного слоя и высоты барьера. Этот процесс происходит за время, близкое времени диэлектрической релаксации. При прямом напряжении L_об уменьшается вследствие смещения основных носителей в сторону обедненного слоя. Проникая в обедненный слой, они компенсируют часть его объемного заряда, что приводит к снижению толщины слоя. Для несимметричного ступенчатого p-n перехода:

(8.1)

где - контактная разность потенциалов при Т=0 К.

На энергетических диаграммах перехода (рис.8.1.) при прямом (а) и обратном (б) смещении уровни Ферми в областях р- и n- типа в отличие от равновесной диаграммы располагаются на разной высоте, а разность между ними равна q/U/.

При прямом смещении напряженность поля в переходе уменьшается, условие равновесия диффузионного и дрейфового токов нарушается – диффузия электронов из n-области и встречная диффузия дырок преобладают по сравнению с их дрейфовым движением. Вследствие диффузии увеличивается концентрация неосновных носителей в нейтральных областях, граничащих с переходом. Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей.

Инжекции присущи резкая зависимость концентрации неосновных носителей от напряжения: при повышении напряжения всего лишь на 2,3 j_Т (60 мВ при Т = 300 К) концентрация возрастает на порядок.

Избыточные неосновные носители могут возникать у границ перехода не только за счет приложения внешнего напряжения, но и вследствие воздействия других факторов, например света. В результате на переходе появляется напряжение (ЭДС), которое может быть выражено через концентрации неосновных носителей по (8.2), (8.3), если их разрешить относительно напряжения.

(8.2)

(8.3)

где - контактная разность потенциалов при температуре Т.

Таким образом, независимо от причины, вызывающей появление избыточных концентраций неосновных носителей, связь их с напряжением определяется выражениями (8.2), (8.3).

При высоком напряжении толщина перехода (8.1) возрастает не пропорционально напряжению, в результате напряженность электрического перехода увеличивается и в нем преобладает дрейфовое движение носителей по сравнению с диффузионным: дырки в n-области и электроны в р-области вследствие теплового хаотического движения могут пересечь границы перехода, где они попадают в ускоряющее поле, переносящее их в соседнюю область. В результате уменьшаются концентрации неосновных носителей у границ перехода; это явление называют экстракцией неосновных носителей. Выражения (8.2), (8.3) справедливы и для экстракции, при U < 0 из них следует ∆n_р < 0, ∆р_n < 0, что соответствует уменьшению концентраций неосновных носителей по сравнению с равновесными концентрациями.

Дата добавления: 2014-01-06