Материал: Kont_v_Str-PP_ME_1

Задача 3.15. Проанализируйте с помощью ЭД зависимость тока через р–n-переход от величины разности потенциалов U, создаваемой на переходе внешним источником.

Дополнительные сведения и пояснения. При анализе электрических свойств р–n-перехода удобно пользоваться представлением о движении в полупроводниках двух типов носителей заряда: электронов зоны проводимости и дырок валентной зоны. Кривые np (E ), nn (E ) , pn (E ), pp (E ) , иллюстрирую-

щие распределение электронов и дырок по энергетическим состояниям в разрешенных зонах полупроводников, образующих р–n-переход, приведены на рис. 3.14 слева и справа от ЭД.

Рис. 3.14. Распределение электронов и дырок по энергетическим состояниям в разрешенных зонах полупроводников.

Неосновные носители, движущиеся через переход под действием электрического поля, сосредоточенного в пределах обедненного слоя (дырки из полупроводника n-типа и электроны из полупроводника p-типа), образуют дрейфовые потоки ( Jn,E и J p,E ). Величины этих потоков определяются инте-

гралами от кривых np (E ) и pn (E ) в пределах соответствующих разрешенных

энергий (рис. 3.14). Основные носители, движущиеся через переход под дей-

ствием градиентов концентрации, образуют диффузионные потоки Jn,D и

31

J p,D . Диффузионным потокам основных носителей препятствует энергетиче-

ский барьер p n . Поэтому в них вовлекаются только электроны, занимаю-

щие на ЭД уровни, расположенные выше дна зоны проводимости в полупроводнике p-типа и дырки, находящиеся на ЭД ниже потолка валентной зоны в полупроводнике n-типа. На рис. 3.14 этим условиям соответствуют заштрихованные области под кривыми nn (E ) и pp (E ) . Стационарное состояние пере-

хода определяется суммой дрейфовых и диффузионных потоков носителей заряда.

В отсутствие на переходе разности потенциалов, создаваемой внешним источником, эти потоки полностью компенсируют друг друга и ток через переход отсутствует, т.е. Jn,E J p,E Jn,D J p,D 0 (см. рис. 3.14).

Решение. При воздействии на р–n-переход разности потенциалов U от внешнего источника нарушается компенсация диффузионных и дрейфовых потоков носителей заряда через переход, т. е. возникает электрический ток i. Вид зависимости i(U) обусловлен полярностью U. Состояния перехода при различных полярностях U иллюстрируются распределениями потенциала внешнего источника и ЭД, изображенными на рис. 3.15, б, в и рис. 3.16, б, в. Распределения (см. рис. 3.15, б и рис. 3.16, б) отражают тот факт, что напряженность электрического поля, создаваемого внешним источником, существенно выше в пределах обедненного слоя перехода, чем вне его (см. рис. 3.13, в). Причиной, обуславливающей такое распределение электрического поля в р–n-переходе, является большое значение сопротивления обедненного слоя по сравнению с сопротивлением остальных областей перехода. При прямой полярности U (см. рис. 3.15) высота энергетического барьера для основных носителей уменьшается на значение eU, что приводит к экспоненциальному увеличению их диффузионных потоков и, следовательно, диффузионной составляющей тока через переход. Одновременно с уменьшением высоты барьера происходит сужение области, обедненной носителями заряда, за счет частичной компенсации контактного электрического поля (см. рис. 3.13, д) электрическим полем, создаваемым внешним источником. В результате уменьшается дрейфовая составляющая тока через переход и возрастает его удельная емкость С. Соответствующие значения W и С могут быть получены из соотношений (3.8) и (3.9) путем замены в них величины p n на ( p n eU ) и учи-

тывая соотношения (3.6), (3.7).

32

Рис. 3.15. Распределения потенциала внешнего источника и ЭД прямосмещенного

р–n-перехода.

33

Рис. 3.16. Распределения потенциала внешнего источника и ЭД обратносмещенного

р–n-перехода. 34

Основные носители заряда, продиффундировавшие через обедненную область р–n-перехода, создают избыточную концентрацию электронов в полупроводнике p-типа и дырок в полупроводнике n-типа. Таким образом, в областях полупроводника, примыкающих к обедненному слою, создается избыточная концентрация носителей заряда. Это явление называют инжекцией. Процесс рекомбинации и диффузии инжектированных носителей определяют расстояния от границ обедненных слоев, в пределах которых в полупроводниках имеет место избыточная концентрация неосновных носителей заряда. Для количественной оценки этих расстояний вводится понятие диффузионной длины, определяемой соотношениями

Основные носители заряда, продиффундировавшие через обедненную область р–n-перехода, создают избыточную концентрацию электронов в полупроводнике p-типа и дырок в полупроводнике n-типа. Таким образом, в областях полупроводника, примыкающих к обедненному слою, создается избыточная концентрация неосновных носителей заряда. Это явление называют инжекцией. Процессы рекомбинации и диффузии инжектированных носителей определяют расстояния от границ обедненных слоев, в пределах которых в полупроводниках существует избыточная концентрация неосновных носителей заряда. Для количественной оценки этих расстояний вводится понятие диффузионной длины, определяемой следующими соотношениями:

LD,n Dn n ; LD, p Dp p ; (3.10)

где Dn и Dp – коэффициенты диффузии неосновных носителей заряда; n и

p – времена жизни неосновных носителей заряда. Наличие инжектирован-

ных неосновных носителей отражается на ЭД р–n-перехода изображением двух несовпадающих квазиуровней Ферми EF,n и EF, p (см. рис. 3.15, в). Со-

ответствующие распределения концентрации неосновных носителей заряда показаны на рис. 3.15, г.

Плотность тока через переход при прямой полярности определяется соотношением

35