1.3.Инжекция неосновных носителей. Диффузионная и зарядная емкости

Инжекцией называется процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область, где эти носители являются неосновными. Вследствие рекомбинации инжектированных носителей с основными, для данной области, их концентрация убывает по мере удаления от p-n перехода (рис. 9), поэтому инжектированнные носители обладают ограниченным временем жизни .

В тех местах, где находятся не успевшие рекомбинировать инжектированные носители, условие p n > n²_i не выполняется. Возникает неравновесное состояние, а инжектирован-ные носители носят название неравновесных.

На рис.9 показано примерное распределение концентрации неравновесных носителей (заштриховано). Для случая бесконечно тонкого и несимметричногоp-n перехода (p_p>>n_n),

Рис.9. Распределение неравновесных носителей заряда: а – распределение концентрации неравновесных носителей; б – схема p-n перехода

распределение определяется формулой

, (1.16)

где – концентрация дырок в n-области на границе с p-областью при инжекции;

–концентрация неравновесных носителей на границе;

–концентрация дырок в глубине n-области;

L_p – диффузионная длина пробега дырок в n- области. Она равна расстоянию, на котором концентрация дырок, инжектируемых в n-облaсть, убывает вследствие рекомбинации в e раз:

, (1.17)

где – коэффициент диффузии;

_p – время жизни.

Все сказанное относится и к инжекции электронов.

Инжекция неосновных носителей не приводит к нарушению электронейтральности областей, куда они вводятся, поскольку из внешней цепи поступают дополнительные носители, компенсирующие возможный избыток (цепочка рекомбинаций).

При протекании через переход прямого тока около перехода в p- и n-областях происходит накопление неравновесных носителей. Они образуют пространственные заряды соответствующих знаков. Эти заряды притягивают и удерживают пространственные заряды обратных знаков, создаваемые основными носителями этих областей.

Увеличение прямого напряжения приведет к увеличению концентрации неравновесных и индуцированных зарядов. Это эквивалентно наличию некоторой емкости, получившей название диффузионной.

Изменение напряжения на p-n переходе U вызывает приращение диффузионного тока, а это приводит к увеличению концентрации неравновесных и индуцированных зарядов Q.

Если быстро сменить полярность внешнего источника, то в начальный момент во внешней цепи появится значительный обратный ток, обусловленный процессом рассасывания неравновесных носителей заряда. Затем обратный ток станет равным I₀. Это аналогично разряду диффузионной емкости. Ее перезарядки не происходит, поскольку при отсутствии тока диффузии эта емкость исчезает. Для несимметричного p-n перехода (p_p >> n_n) эта емкость равна

. (1.18)

При _p = 5 мкс; I_pдиф = 10 мА; C_диф  2 мкФ.

Область пространственного заряда p-n перехода имеет двойной электрический слой: из положительно заряженных доноров и отрицательно заряженных акцепторов. Этот слой образует зарядную емкость

_, (1.19)

где  – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла;

₀ – диэлектрическая постоянная;

S _p-n – площадь перехода;

d _p-n – ширина запирающего слоя.

Зависимость этой емкости от внешнего напряжения

, (1.20)

где – зарядная емкость p-n перехода при U = 0. При прямом смещении ширина p-n перехода уменьшается, C_зар растет. При обратном – наоборот. При прямом смещении C_зар < C _диф, при обратном – C_зар >> C_диф0.