§ 2.2. Токи через электронно­дырочный переход

При нарушении равновесия внешним электрическим полем че­рез р-я-переход начинает проходить ток. Если внешнее напря­жение приложено так, что создаваемая им напряженность электрического поля противоположна по направлению диффу­зионной напряженности (рис. 2.1, б), то суммарная напряжен­ность поля в р-n-переходе падает, высота потенциального барьера уменьшается (рис. 2.1, д). Часть основных носителей, имеющих наибольшие значения энергии, может теперь преодоле­вать понизившийся потенциальный барьер, переходя через р-n-переход. Это приводит к появлению сравнительно большого тока через р-п-переход. Напряжение рассмотренной полярности называют прямым и считают положительным.

Преодолевшие потенциальный барьер носители заряда ока­зываются в соседней области неосновными. Таким образом, че­рез р-n-переход происходит инжекция неосновных носителей заряда в область, примыкающую к р-n-переходу. Ту область, в которую происходит инжекция неосновных носителей, назы­вают базой полупроводникового прибора.

С увеличением внешнего прямого напряжения уменьшается суммарная напряженность электрического поля в р-n-переходе. С уменьшением напряженности электрического поля уменьша­ется глубина проникновения этого поля в области полупровод­ника, прилегающие к металлургическому контакту. Поэтому уменьшается толщина р-n-перехода или толщина области объем­ного заряда.

Если созданное внешним источником электрическое поле в р-n-переходе совпадает по направлению с диффузионным (рис. 2.1, в), то высота потенциального барьера для основных носителей увеличивается (рис. 2.1, е). Однако для неосновных носителей, т. е. для дырок в n-области и для электронов в р-об­ласти, потенциальный барьер в р-гс-переходе вообще отсутствует. Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в р-п-переход и проходят через него в соседнюю область — проис­ходит так называемая экстракция. При этом через р-n-переход будет идти обратный ток, который относительно мал из-за малой концентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к р-n-переходу областях.

Напряжение, имеющее рассмотренную полярность, называют обратным и считают отрицательным. Толщина р-n-перехода с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению увеличивается, так как при этом увеличивается суммарная напряженность электрического поля в р-n-переходе и увеличи­вается глубина проникновения этого поля в прилегающие к переходу области.

§ 2.3. Концентрация неосновных носителей заряда у границ электронно­дырочного перехода

Рассмотрим зависимость концентрации неосновных носителей заряда у границ р-га-перехода от внешнего напряжения, при­ложенного к электронно-дырочному переходу, для частных слу­чаев.

Малые токи

Как известно, плотности электронного и дырочного токов опре­деляются алгебраической суммой дрейфовых и диффузионных составляющих (см. (1.30) и (1.31)]. При движении носителей заряда только в одном направлении х, параллельном вектору электрического поля,

Учитывая малость токов и воспользовавшись соотношением Эйнштейна (1.29), можно считать, что при J_р≈0 и J_n≈0

При малых токах концентрации основных носителей за преде­лами р-n-перехода р_р и п_n практически равны равновесным кон­центрациям р_ро и п_nо. Тогда с учетом (2.3)

Полученные соотношения имеют довольно простой физиче­ский смысл. В невырожденном полупроводнике носители заряда подчиняются статистике Максвелла — Больцмана, т. е. число их г энергией выше некоторого значения экспоненциально падает с увеличением этой энергии. В состоянии равновесия концентрация неосновных носителей заряда по одну сторону р-п-перехода равна концентрации основных носителей по другую сторону р-я- перехода, имеющих энергию, большую на qφ_кон. При изменении высоты потенциального барьера на qu количество носителей, имеющих энергию, достаточную для его преодоления, изменяется

в ехр

раз, что и характеризуется формулами (2.5).

При напряжении на р-n-переходе, равном нулю, граничная концентрация неосновных носителей заряда равна равновесной. С ростом прямого напряжения (u>0) граничная концентрация неосновных носителей заряда растет, что соответствует явлению инжекции. При обратном напряжении (u<0) граничная концен­трация неосновных носителей падает, что соответствует явлению экстракции.

Большие прямые токи

При увеличении прямого напряжения на р-n-переходе высота его потенциального барьера уменьшается, что ведет к выравниванию концентраций носителей по обе стороны от р-n-перехода. В пре­деле, если бы контактная разность потенциалов могла быть полностью скомпенсирована внешним напряжением (практически это недостижимо из-за

падения части внешнего напряжения в объеме полупроводника), выполнялись бы условия

Соотношения (2.6) можно рассматривать как верхние преде­лы концентрации инжектированных через р-n-переход носителей.

Большие обратные токи

Соотношения (2.5) показывают, что концентрация неосновных носителей заряда на границе р-n-перехода, смещенного в обрат­ном направлении, с ростом абсолютного значения обратного напряжения должна очень быстро падать. Однако такое падение концентрации ограничено тем, что скорость движения носителей заряда в электрическом поле растет до определенного предела υ max (см. § 1.10). Так как плотность тока, например дырочного, связана со скоростью движения носителей заряда соотношением

то минимальное значение концентрации неосновных носителей заряда, которое может получиться на границе р-n-перехода,

Выражения (2.8) можно рассматривать как нижние пределы концентрации неосновных носителей на границе р-n-перехода.