Электронно-дырочный переход во внешнем электрическом поле

Внешнее электрическое поле, приложенное к p – n – переходу, нарушает равновесие в системе и вызывает протекание тока. При этом величина потенциального барьера должна меняться, причем, так как внешнее напряжение почти полностью падает на переходе вследствие его большого сопротивления, изменение высоты потенциального барьера должно быть равно величине приложенного напряжения. В неравновесном состоянии уровень Ферми заменяться на квазиуровни Ферми, которые уже не будут совпадать в различных частях полупроводника (p-и n-областях). Рассмотрим два случая:

Прямое включение. При приложении внешнего напряжения U плюсом к р-области и минусом к n-области (рисунок 74.5 а) внешнее поле направлено противоположно внутреннему контактному полю p-n-перехода. В результате напряженность электрического поля на p-n-переходе уменьшатся, высота потенциального барьера понижается и становится равной; соответственно уменьшится толщина слоя объемных зарядов (запирающего слоя). Зонная диаграмма p-n-перехода в этом случае показана на рисунке 74.5 б. Смещение зон р-области и n-области уменьшилось по сравнению с равновесным состоянием.

Снижение потенциального барьера приведет к тому, что число электронов в n-области, энергия которых будет достаточно для перехода в р-область, увеличится. Точно также уменьшение потенциального барьера для дырок приведет к увеличению числа дырок, переходящих из р-области в n-область.

Электрическое поле на p-n-переходе и энергетическая диаграмма p-n-перехода при приложении прямого напряжения

а) б)

Рисунок 74.5

Таким образом, вблизи границы возрастет концентрация неосновных носителей заряда: электронов в р-области и дырок в n-области. Это явление введения неосновных носителей заряда, происходящее при приложении внешнего напряжения плюсом к р-области и минусом к n-области, называется инжекцией неосновных носителей заряда. Диффузионный ток дырок из р- в n- область и электронов из n- в р- область превышает дрейфовый ток неосновных носителей заряда. В результате через р-n-переход течет ток, направленный от р- к n-области. Рассматриваемое включение р-n-перехода называется прямым или пропускным, а текущий ток – прямым током. С увеличением напряжения на р-n-переходе концентрация инжектируемых носителей заряда резко возрастает, что приводит к сильному росту тока через контакт в прямом направлении.

Обратное включение. При приложении внешнего напряжения U плюсом к n-области и минусом к р-области (рисунок 74.6 а) потенциальный барьер для основных носителей заряда еще более повысится (энергетические зоны р- и n-областей еще более сместятся относительно друг друга – рисунок 74.6 б), станет равным , увеличится и толщина запирающего слоя.

Электрическое поле на p-n-переходе и энергетическая диаграмма p-n-перехода при приложении обратного напряжения

­­

а) б)

Рисунок 74.6

Этот способ включения р-n-перехода называется обратным или запорным. Чем сильнее смещен переход в обратном направлении (чем больше U), тем меньшее количество основных носителей заряда способно преодолеть возросший потенциальный барьер. Таким образом, при обратном включении внешнего напряжения ток основных носителей заряда I_gбудет меньше, чем при равновесном состоянии, а ток неосновных носителей заряда I₀практически не изменяется. Поэтому суммарный ток через р-n-переход будет направлен от n-области к р-области и с увеличением обратного напряжения в начале будет незначительно расти, а затем, почти не меняясь, стремиться к величине I₀, так как диффузионный ток стремится к нулю.