Материал: TTE_Lect1

напівпровідників р- та n- типів, то різниця концентрацій носіїв однойменних зарядів зумовлює дифузію дірок з р-області до n-області, а електронів – з n -області до р-області. Густину загального дифузійного струму через перехід визначають за формулою

При контактному шарі напівпровідника р-типу внаслідок залишення його дірками створюється нескомпенсований заряд негативних іонів акцепторних домішок. У приконтактному шарі напівпровідника n-типу створюється нескомпенсований заряд позитивних іонів донорних домішок (рисунок 2.3,а). Ці заряди є нерухомими, концентрація рухомих вільних носіїв біля контакту зменшується, а отже, опір переходу зростає, внаслідок чого р-n- перехід ще називають областю об’ємного заряду, або запірним шаром.

Накопичення об’ємних нерухомих зарядів у р-n –переході приводить до виникнення в ньому дифузійного електричного поля

Eдиф (рисунок 2.3,а), яке має напрям, протилежний до напряму

дифузійного пересування дірок з р-області до n-області. За межами області об’ємного заряду напівпровідникові області р- та n- типів залишаються електрично нейтральними.

Електричне поле Eдиф , як це бачимо з рисунка 2.3, гальмує

рух основних носіїв через р-n –перехід, але спричинює рух через нього неосновних носіїв (дірок з n-області, електронів з р-області). Інакше кажучи, дифузійне поле переходу приводить до виникнення дрейфового струму неосновних носіїв, протилежного дифузійному струмові основних носіїв. Явище виведення носіїв заряду з області, де вони є неосновними, через р-n-перехід під дією прискорювального електричного поля, називають екстракцією.

З появою дифузійного поля переходу Eдиф між n - та р-

областями виникає різниця потенціалів, яку називають контактною. Враховуючи, що

де Uk -контактна різниця потенціалів,

а також використовуючи формулу (1.10), визначимо загальну густину

16

дрейфового струму через межу поділу р - та n-областей

У стані теплової рівноваги при U =0 (відсутності зовнішнього електричного поля або зовнішньої напруги) чим більша кількість основних носіїв залишатиме власні області, тим більша кількість неосновних носіїв буде екстрагувати через перехід під дією дифузійного поля до областей, де вони стають основними.

Отже, у відповідних областях системи двох напівпровідників

Дифузійний та дрейфовий струми в означеному режимі завжди компенсуватимуть один одного, тобто

Це означає, що при зовнішній напрузі U =0 струм через р-n – перехід не протікає.

У момент установлення режиму рівноваги контактна різниця потенціалів може бути обчислена за однією з наведених нижче формул:

процеси інтерпретуються таким чином. Оскільки потенціальна енергія електрона і потенціал зв’язані співвідношенням W qU , то утворення нескомпенсованих об’ємних зарядів спричинює опускання енергетичних рівнів n-області і підіймання енергетичних рівнів р- області. Зміщення енергетичних діаграм областей закінчується, коли

17

рівні Фермі Wфn та Wфp збігаються. При цьому на межі поділу (х=0)

рівні Фермі областей проходять через середину забороненої зони,

тобто у т. х=0 Wфn =Wфp =Wi . Як відомо, ця обставина характерна

для НП з власною електропровідністю, опір яких порівняно з домішковими НП більший. Отже, опір на межі між двома НП, як і опір всього збідненого на носії заряду шару р- та n- кристалів.

Утворення потенціального бар’єра Uk у переході внаслідок

зміщення енергетичних діаграм областей на величину qUk обмежує

дифузійне переміщення основних носіїв.

Рівняння (2.6) та (2.7) дозволяють визначити рівноважні концентрації неосновних носіїв р- та n –областей:

2.1.3 P-n-перехід під дією зовнішньої напруги

Під дією зовнішньої напруги на різкий р-n-перехід через нього проходить струм, величина якого залежить від полярності підімкнення зовнішнього джерела напруги. Якщо плюс джерела підімкнено до р- області, а мінус - до n –області, то таке вмикання називають прямим. У протилежному разі йдеться про зворотне вмикання р-n-переходу.

2.1.3.1 Пряме вмикання р-n-переходу

Вважатимемо, що до невипрямлювальних контактів a і в

(рисунок 2.4) прикладено пряму напругу Uпр . Оскільки опір р-n-

переходу значно перевищує опори нейтральних областей, то зовнішня напруга повністю падає на цьому переході. Результуюча напруженість у р-n-переході зменшується, оскільки зовнішнє електричне поле

Eпр має напрям, протилежний напряму Eдиф (рисунок 2.4,а):

Ep n Eдиф Епр .

18

Унаслідок цього зменшується потенціальний бар’єр переходу

до значення Uk -Uпр (рисунок 2.4,в,г), зменшується також

гальмувальна дія поля переходу на дифузійний рух основних носіїв, що приводить до зростання дифузійного струму через перехід. Дрейфовий струм при цьому не зазнає зміни, бо його величина, як це бачимо з формули (2.4), залежить від концентрації неосновних носіїв у нейтральних областях р- та n –кристалів. Ці концентрації, у свою чергу, залежать виключно від концентрації домішок у НП та від температури. Тому зменшення поля р- n –переходу, яке є прискорювальним для неосновних носіїв, приводить до зниження швидкості дрейфу цих носіїв, а їх концентрація залишається незмінною. Отже, умова термодинамічної рівноваги (2.5)

порушується: jдиф jдр 0, тобто виникає результуючий прямий

струм через перехід. Величину цього струму визначають дифузійною

складовою jдиф . Це струм основних носіїв. Унаслідок переважання

дифузії над екстракцією біля меж р-n-переходу відбувається накопичення неосновних носіїв, концентрація яких зростає до величин

де Uk - контактна різниця потенціалів;

Uпр - прикладена пряма напруга;

np1 і pn1 - концентрації неосновних нерівноважних носіїв біля меж

переходу.

Явище підвищення концентрації неосновних носіїв в р- та n- областях під дією зовнішньої прямої напруги називається інжекцією. Область, з якої інжектують носії, є емітером, а область, в якій інжекція здійснюється, називається базою. Унаслідок рекомбінації неосновних носіїв у р- та n- областях створюються градієнти їх концентрації (рисунок 2.4,б). Концентрації неосновних нерівноважних носіїв змінюються, отже, вздовж координати х за законами

20