Свойства p-n перехода при наличии внешнего напряжения.

При нарушении равновесия электронно-дырочного перехода внешним электрическим полем через него начинает протекать электрический ток. Ха-рактер токопрохождения и величина тока оказываются различными в зависи-мости от полярности приложенного напряжения.

Вначале рассмотрим случай, когда внешнее напряжение противопо-ложно по знаку контактной разности потенциалов U (рис. 8.2.1,а).

В этом случае источник включается так, что поле, создаваемое внеш-ним напряжением в p-n переходе, направлено навстречу собственному полю p-n перехода.

 

Такое включение называют прямым. Оно приводит к снижению величины потенциального барьера на величину равную eU. Основные носители заряда получают возможность приблизиться к контакту, скомпенсировав заряд примесей. Поэтому ширина p-n перехода уменьшится. Для ее вычисления нужно вместо формулы (7.2.25) использовать выражение:

(8.2.1)

Из рис.8.2.1,б видно, что для этого случая уровень Ферми в n -области поднимается, а в р - областиопускается. Часть основных носителей, имеющих наибольшие значения энергии, сможет преодолеть сравнительно узкий и невысокий потенциальный барьер и перейти через границу, разделяющую проводники n - и p - типа. Это приводит к нарушению равновесия между дрейфовым и диффузионными токами. Диффузионная составляющая тока становится больше дрейфовой, и результирующий прямой ток через переход оказывается отличным от нуля:

I_пр = I_диф – I_др > 0 (8.2.2)

По мере увеличения внешнего прямого напряжения прямой ток через переход может возрасти до весьма больших значений, так как он обусловлен главным образом движением основных носителей, концентрация которых в обеих областях велика.

Нетрудно заметить, что преодолевшие потенциальный барьер носители заряда попадают в область полупроводника, для которой они являются не основными.

В n -области появившиеся избыточные неосновные носители заряда – дырки Δ р создадут в первый момент вблизи p-n перехода положительный объемный заряд. Однако через очень короткое время, определяемое максвелловским временем релаксации, этот заряд будет скомпенсирован объемным зарядом основных носителей заряда – электронов, которые под действием электрического поля, созданного избыточными дырками, будут подтянуты в количестве Δ n из глубины n области, а в n область электроны продвигаются к переходу, создавая электронный ток I_n. По мере приближения к переходу этот ток вследствие рекомбинации с дырками падает до нуля. Суммарный ток в n -области I=I_p+ I_n во всех точках полупроводника n - типа остается неизменным (рис. 8.2.2).

Таким образом, во всех частях электронного полупроводника будет соблюдаться электронейтральность, но в области p-n перехода концентрация электронов и дырок будет повышена на Δ n= Δ р по сравнению с равновесным состоянием. Введение в полупроводник носителей заряда с помощью p-n перехода при подаче на него прямого смещения в область, где эти носители являются неосновными, называют инжекцией. В этом случае, концентрация дырок в n -области вблизи контакта будет равна:

p = p_n + Δ p (8.2.3)

Эта концентрация в стационарном случае при x= L_n и отсутствии вы-рожденных носителей заряда после замены в (7.2.10) ej_к на величину e(j_к –U) будет:

(8.2.4)

откуда следует, что концентрация избыточных дырок в n -области при x= L_n равна:

. (8.2.5)

Аналогичные явления происходят и в р -области: сюда из n -области инжектируются электроны и концентрация избыточных электронов при x = - L_р составляет:

(8.2.6)

Из (8.2.5) и (8.2.6) следует, что с увеличением прямого смещения на p-n переходе концентрация инжектируемых не основных носителей зарядов резко возрастает, что приводит к резкому росту тока через контакт в прямом направлении.