Электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии

3.3. Электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии

3.3.1. Потенциальный барьер

Неравновесное состояние р-n-перехода наступает при подаче внешнего напряжения U и характеризуется протеканием тока через переход. Сопротивление обедненного слоя значительно выше со­противления нейтральных областей, поэтому внешнее напряжение U практически оказывается приложенным к самому обедненному слою и влияет на величину потенциального барьера. В зависимости от полярности напряжения U потенциальный барьер может возрас­тать или уменьшаться.

Принято называть напряжение на р-n-переходе прямым, если оно понижает барьер. Это будет в том случае, если плюс источника питания присоединен к р-области, а минус – к n-области. Потенци­альный барьер при прямом напряжении

                                                                                                           (3.18)

Внешнее поле складывается с контактным полем и потенциаль­ный барьер возрастает, если плюс источника присоединяется к n-области. Такое напряжение называется обратным и считается отрицательным. Потенциальный барьер в этом случае

                                                                                                          (3.19)

Очевидно, что соотношение (3.18) применимо при любом напря­жении, если U брать со своим знаком (U > 0. U < 0) – т.е.

Рекомендуемые материалы

                                                                                                                     (3.20)

3.3.2. Толщина р-n-перехода

Изменение высоты потенциального барьера при подаче внеш­него напряжения сопровождается изменением толщины обедненно­го слоя. Поясним эту связь.

Потенциальный барьер (разность потенциалов) может созда­ваться только зарядами, при этом для увеличения барьера требует­ся больше зарядов. В случае р-n-перехода барьер связан с зарядом ионов акцепторов и ионов доноров Q_а и Q_Д.

Для получения контактной разности потенциалов (состояния равновесия) необходим определенный заряд |Q_а| = Q_Д, а следова­тельно, по соотношениям (3.2) эти заряды могут находиться в опре­деленных объемах I_pS и I_nS.

При подаче напряжения устанавливается новый потенциальный барьер (3.20) (, для существования которого уже требуется другой заряд Q_а и Q_Д (|Q_а| = Q_Д), а следовательно, и другой объем и толщина перехода.

Другими словами, при изменении внешнего напряжения происхо­дит изменение толщины перехода. При прямом напряжении барьер уменьшается (j < j_к) и переход должен сужаться, а при обратном на­пряжении барьер растет (j > j_к) и переход должен расширяться. Оче­видно, что зависимость толщины перехода от напряжения легко на­писать, используя формулы (3.15) или (3.16), в которые вместо потен­циального барьера (j_к следует в общем случае поставить , т.е. вместо (3.15) получим

                                                                                       (3.21)

а вместо (3.16)

Бесплатная лекция: "113 Формы научного познания" также доступна.

                                                                                                        (3.22)

Уменьшение толщины перехода при прямом напряжении проис­ходит в результате прихода основных носителей из областей к пере­ходу для нейтрализации части зарядов Q_а и Q_Д (дырки из р-области входят в приграничный слой перехода и там нейтрализуют заряд ионов акцепторов, а электроны из n-области входят в приграничный слой перехода для нейтрализации там зарядов ионов доноров). При обратном напряжении основные носители уходят из слоев p- и n-областей вблизи перехода, «открывая» заряды акцепторных и донорных ионов, т.е. расширяя переход. Перестройка перехода происхо­дит за время порядка 10 ^-12 с.

3.3.3 Энергетические диаграммы р-n-перехода

Энергетические диаграммы р-n-перехода для прямого и обрат­ного напряжений показаны на рис. 3.7. Уровни Ферми в р- и n-областях в отличие от диаграммы для равновесного состояния (см. рис. 3.5) распо­лагаются на разной высоте, так что интервал между ними равен q|U|, т.е. пропорционален приложенному напряжению. Смещение границ зоны проводимости пропорционально высоте потенциального барь­ера и составляет  и поясняет соотношение диффузион­ных и дрейфовых потоков носителей в переходе. [Рисунки 3.5 и 3.7 выполнены в разных масштабах.]

При прямом на­пряжении из-за сни­жения потенциаль­ного барьера нару­шается  равенство диффузионного   и дрейфового потоков как дырок, так и электронов: диффу­зионный поток ды­рок из р-области в n-область преобла­дает над встречным дрейфовым потоком дырок из n-области, а диффузия электронов из n-области в р-область – над встречным дрейфом электронов из р-области. В результате происходит увеличение концентрации не­основных носителей вне перехода в р- и n-областях. Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей.

При обратном напряжении из-за увеличения потенциального барьера происходит ослабление диффузионных потоков по сравне­нию с состоянием равновесия. Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении (порядка десятых долей вольта) диффузионный поток становится настолько малым, что дрейфовые потоки на­чинают преобладать над диффузионными. В результате дрейфа не­основных носителей происходит уменьшение концентраций неос­новных носителей у границ перехода: электронов в р-области и ды­рок в л-области. Это явление называется экстракцией (выведени­ем) неосновных носителей.