P-n переход в неравновесном состоянии. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода

Энергетическую диаграмму электронно - дырочного перехода рассмотрим для 3-х случаев:

1. Внешнее электрическое поле отсутствует (равновесное состояние)

2. Внешнее электрическое поле совпадает с направлением диффузионного поля перехода.

3. Внешнее электрическое поле направлено противоположно диффузионному полю

перехода

Во 2-м и 3-м случаях говорят о прямом и обратном смещении р-п-перехода

На рис. 4.6.а изображена зонная диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии.

Дрейфовый ток и диффузионный ток равны.

На рис. 4.6.б и 4.6.в соответствует случаю, если к p-n переходу приложить внешнее электрическое поле, т.е. подключить nи p области к источнику э.д.с.

Прямосмещенный переход

Напряженность результирующего поля на переходе уменьшится (внешнее и диффузионное поля разнонаправлены).

Е _рез = Е_зап - Е_внеш(4.13)

Дрейфовый ток уменьшится, а диффузионный ток увеличится, в результате чего, динамиче­ское равновесие нарушится и возникнет ток через р-n переход.

Высота потенциального барьера уменьшаетсяя и становится равной:

q(f_k - U_внеш) (4.14)

Ширина p-n перехода при этом уменьшается.

Т.к. потенциальный барьер снизится, то повы­сится число свободных электронов, прони­кающих из слоя n в слой р, и дырок из слоя р в слой n – в этом случае происходит инжекция неосновных носителей заряда.

а) б) в)

Рис. 4.6 зонные диаграммы p-n перехода

Инжекция - появление в слое полупроводника неосновных носителей заряда. Этот ток называется прямым током,а включение р-n перехода - прямым включением.

Обратносмещенный переход

На рис. 4.6 в изображен случай, если изменить полярность внешнего источника.

Напряженность результирующего поля на переходе увеличится (внешнее и диффузионное поля направлены в одну сторону).

Е _рез = Е_зап + Е_внеш(4.15)

Дрейфовый ток увеличится, а диффузионный ток уменьшится, в результате чего, динамиче­ское равновесие нарушится и также возникнет ток через р-n переход.

Высота и ширина потенциального барьера увеличится и станет равной:

q(f_k + U_внеш) (4.16)

Ширина p-n перехода при этом увеличивается.

Электроны из слоя n будут двигаться от границы слоев к положительному полюсу внешнего источника, а дырки из слоя р к отрицательному полюсу. Т.о., и свободные электроны, и дырки будут уходить от границы слоев.

В результате между слоями образуется область, в которой не остается ни элек­тронов, ни дырок. Ток (диффузионный) через p-n-переход не пойдет.

При обратном напряжении толщина p-n перехода возрастает не пропорционально напряжению и в нем преобладает дрейфовое движение носителей по сравнению с диффузионным: дырки из n- области и электроны из p- области вследствие теплового хаотического движения могут попасть в область перехода, где они попадают в ускоряющее поле, переносящее их в соседнюю область.

В результате уменьшается концентрация неосновных носителей у границ перехода - это явление называется экстракцией неосновных носителей

В цепи в этом случае будет проходить ток, этот ток небольшой, называется он обратным током.Он обусловлен наличием в слое n некоторого числа неосновных носителей - дырок, а в слое р- свободных электронов, которые будут проникать в пограничную область и поддерживать ток через переход.

Этот обратный ток, будет на несколько порядков меньше прямого тока:

1_обр « 1_пр , при этом Iпр[мА], а Iобр[мкА ]

Из рассмотренных случаев следует, что направление внешнего поля определяет вентильные свойства p-n-перехода, т.е. способность проводить ток в одном направлении в зависимости от полярности приложенного напряжения.