Напівпровідникові прилади на основі p-n переходу, страница 3

З попереднього цілком зрозуміло, що по обидві сторони розділу напівпровідникових структур повинні бути накопичені однакові заряди. Але, оскільки реально концентрації домішок неоднакові в р- і n- структурах, то по цій причині розміри  іонізованих областей будуть неоднаковими. Тобто, якщо задамо глибину іонізації в р- структурі як l_р , а в n- структурі як l_n , то умова рівності зарядів може бути записана у вигляді:

де d – довжина переходу. Звідси знаходимо:

тобто ширина шарів р-n переходу по обидві сторони межі розділу зворотньо пропорційна концентрації домішок, тому р-n перехід розширюється за рахунок площі напівпровідника з меншою концентрацією.

Оскільки реально концентрація носіїв одного типу набагато перевищує концентрацію носів другого типу, то весь р-n перехід в основному розміщується з одного боку від межі розділу.

Загальна ширина р-n переходу:

де e_К  = 11.7 e₀ – діелектрична проникливість кремнію;  e₀ =1.04×10^-12 Ф/м.   

Розглянемо тепер особливість протікання струмів через p-n перехід при наявності зовнішнього електричного поля.

3.1.2. Пряме включення  p-n переходу

Розглянемо випадок, коли зовнішнє електричне поле від джерела Е прикладається плюсом до електрода p- області і мінусом до електрода n- області (рис. 3.1, в). Враховуючи, що p- і n- області, які не охоплені p-n переходом, завдяки високій концентрації домішок мають високу провідність, вся зовнішні напруга буде прикладатись до високоомної частини розгляданої напівпровідникової структури, тобто безпосередньо до  p-n переходу. При цьому зовнішнє електричне поле  буде направлене протилежно дії внутрішнього поля p-n переходу, що приводить до зменшення величини потенційного бар’єру на величину Е (рис. 3.1, в), тобто висота потенційного бар’єру j₀ при наявності зовнішньої напруги Е буде зменшена на величину зовнішнього електричного поля. 

j_Е = j₀ – Е.

Як вже зазначалось, область p-n переходу в звичайних умовах не має вільних носіїв зарядів і, відповідно, провідність її дуже низька. Це призводить до того, що опір p-n переходу буде набагато вищим, ніж тих областей напівпровідника, які ним не зайняті. Тому прикладання зовнішньої напруги до p-n структури фактично приводить до того, що вся вона прикладається до p-n переходу.      Умова рівноваги p-n переходу порушиться і основні носії p- і n- областей почнуть переміщуватись через нього в протилежних напрямках. Дрейфова складова струму від зовнішнього потенціалу майже не залежить, оскільки визначається низькою концентрацією неосновних носіїв. Інжекція дірок в n- область приведе до створення  на межі переходу (на відстані l_n від межі розділу структур) збиткову концентрацію дірок p_n (l_n) які в даному випадку є неосновними носіями заряду. Концентрація (l_n) буде перевищувати власну концентрацію, обумовлену термогенерацією p_n0. Підвищення концентрацій неосновних носіїв в p- і n- областях внаслідок впливу зовнішньої напруги, що прикладається до переходу, називається інжекцією неосновних носіїв.

В той же час зменшиться і ширина потенційного бар’єру в відповідності до формули:

l = ((2e_К/q) × (1/N_p + 1/N_n) × (j₀ –Е))^1/2.

Поява збиткової концентрації носіїв на межі n- області приведе до появи градієнту концентрації, внаслідок чого вони почнуть рухатись в глибину структури. При цьому внаслідок рекомбінації з електронами їх концентрація буде зменшуватись по експоненціальному закону, поступово наближаючись до нуля.

Закон розподілу концентрації неосновних носіїв (дірок) по глибині n- структури може бути описаним, виходячи з рівнянь безперервності (див. Розділ II):