Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии

В условиях равновесия p-n перехода, когда отсутствует внешнее напряжение, энергия Ферми одинакова для любого объема полупроводника, что приводит к горизонтальности положения уровня Ферми на энергетической диаграмме, представленной на рис.3.

Рис. 3. Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии

На рис. 3 обозначено:

, - основные носители заряда; - неосновные носители заряда; Wп - энергетический уровень дна зоны проводимости; W_F - энергетический уровень Ферми; Wср - энергетический уровень середины запрещенной зоны; Wв - энергетический уровень потолка валентной зоны; DWз - энергия, соответствующая ширине запрещенной зоны. Уровень Ферми в полупроводнике p-типа расположен вблизи энергетического уровня потолка валентной зоны, а в полупроводнике n-типа - вблизи энергетического уровня дна зоны проводимости, причем уровень Ферми ближе расположен к энергетическому уровню потолка валентной зоны, чем к энергетическому уровню дна зоны проводимости, из-за того, что Nа>>Nд. У изолированных p- и n-областей энергии Ферми неравны, поэтому при объединении областей в единый кристалл полупроводника на основании фундаментального свойства уровня Ферми (gradW_F=0) происходит смещение энергетических уровней n-области относительно энергетических уровней p-области, как и показано на рис. 3. В результате смещения энергетических уровней создается энергетический (потенциальный) барьер величиной

e×j_к=W_Fn – W_Fp.

Основные носители заряда областей полупроводника p- и n-типов, энергия которых больше высоты барьера, диффузионно преодолевают его. Основные носители заряда, переходящие p-n переход в тормозящем для них электрическом поле, образуют диффузионную составляющую тока перехода i_D. В то же время неосновные носители заряда, находящиеся вблизи p-n перехода и совершающие тепловое хаотическое движение, попадают под действие электрического поля p-n перехода, увлекаются им и переносятся в противоположную область: электроны p-области в n-область; дырки n-области в p-область. Неосновные носители заряда, переходящие переход под действием напряженности электрического поля Eк p-n перехода, образуют дрейфовую составляющую тока i_E через переход. Условие равновесия выполняется, когда диффузионный ток i_D будет компенсирован встречным дрейфовым током i_E и полный ток через переход будет равен нулю: .