Токи в полупроводнике. Дифференциальное уравнение системы

Токи в полупроводнике.

Пока нет внешнего электрического поля свободные заряды перемещаются хаотично 

Когда свободные заряды приобретают дополнительную, то на хаотичность накладывается доля упорядоченного перемещения вдоль силовых линий энергии, тое есть возникает электрический ток (дрейфовый ток).

При прохождении дрейфового тока через n-n переход концентрация носителей остаётся постоянной во всех его точках.

В p-n переходе может возникать и ток другого вида, это составляющая возникает, если имеются различные концентрации зарядов в различных точках объёма (диффузионный ток) В полупроводниках могут действовать оба вида токов.

2 вида тока:

1) Дрейфовый, который обусловлен внешним электрическим полем.

2) Диффузионный, который определяется градиентом концентрации свободных зарядов в разных точках.

Каждый микрообъём остаётся электрически нейтральным.

Состояние равновесия.

В p-n переходе наблюдается искусственно созданный градиент концентраций. Если есть градиент концентраций, то возникает диффузионный ток. В результате диффузионного тока электроны проникают в одну область, а дырки в другую. За счет этого нарушается электрическая нейтральность приграничных областей. Следствием является возникновение внутреннего электрического поля.  

За счет электрического поля появляется дрейфовый ток.

Напряженность поля увеличивается до тех пор, пока дрейфовый ток не станет равным диффузионному току. Таким образом, в состоянии равновесия наблюдается равенство плотности диффузионного и дрейфового токов. 

Разность потенциалов  в переходе, обусловленная его собственным полем, называется контактной разность потенциалов.  

Распределение зарядов и поля в p-n переходе.

Предполагаем, что гранца между областями плоская, достаточно длинная и пренебрегаем граничными эффектами.

Если концентрация электронов и дырок одинаковая, то области имеют одинаковую толщину.

Рассматриваем плоско-параллельный p-n переход, в котором:  – толщина p-n перехода, , где l – ширина p-n перехода. (Рис1.2)

pn

l

Рассмотрим резкий переход.

Распределение концентрации подвижных зарядов.                                                                                                                        

Распределение нескомпенсированного объемного заряда. (Суммарный заряд в каждой точке равен разности подвижных и неподвижных зарядов, это –объёмный заряд)

Распределение внутренней напряженности электрического поля в переходе

0

Толщина p-n перехода :.

Если  (концентрации электронов и дырок равны), то переход симметричен.

Если , то переход несимметричен.

Когда в одной из областей концентрация свободных зарядов меньше, чем в другой, проникшие электроны  дольше не рекомбинируют с дырками, поэтому глубина их проникновения больше.

Энергетическая диаграмма p-n структуры.

СЗ

ЗЗ

p                                                  n             

При электрическом контакте n и p полупроводников уровни Ферми одинаковы по всему образцу, по отношению к ВЗ и СЗ он к ним жестоко привязан.

Это возможно за счёт смещения самих зон в p и n области.

p                                                  n

 -

Токи при прямом и обратном включении диода

1. Прямое напряжение.

Прямое напряжение наблюдается, когда внешнее напряжение противоположно внутренней контактной разности потенциалов.

2. Обратное напряжение.

Внешнее напряжение совпадает с полярностью областей, что приводит к их утолщению.

p                        n                                    

Распределение потенциала (когда отсутствует внешнее напряжение)

0

Сопротивление перехода – нелинейное.

Поскольку сопротивление p и n областей много меньше области p-n перехода, то все внешнее напряжение приходится на p-n переход.

Когда  область p-n перехода исчезает и полупроводник становится обычным проводником.

Пробой диодов.

Когда  достигает определенной величины, в диодах происходит пробой