Если на p-n-переход подать внешнее напряжение u, то равновесие между диффузионными и дрейфовыми потоками в переходе нарушится и через всю структуру будет протекать ток je = Jдиф - Jпров.
Будем считать, что практически всё внешнее напряжение падает на
p-n-переходе и контактная разность потенциалов соответственно изменяется до величины φk–u; где u>0 соответствует подаче прямого напряжения на p-n-переход, а u<0 – подаче обратного напряжения (рис. 2.2, et, ré).
При изменении высоты потенциального барьера под действием внешнего напряжения равновесие диффузионного и дрейфового токов в переходе нарушается. При прямом напряжении (u > 0) уменьшение потенциального барьера приводит к преобладанию диффузионного потока электронов из эмиттера в базу над дрейфовым потоком электронов из базы в эмиттер.
В результате электроны инжектируются в базу и концентрация электронов на границе xp возрастает и значительно превышает равновесную концентрацию в базе np. Таким образом, инжекция электронов в базу приводит к появлению неравновесных носителей в базе Δn(хp) = n(xp) – np. Вследствие возникшего градиента концентрации в базе начинается процесс диффузии электронов от границы перехода xp в глубину p-базы. По мере движения неравновесная концентрация уменьшается за счет рекомбинации.
Необходимо заметить, что при инжекции электронов электронейтральность базы нарушается и ее восстановление происходит за счет прихода «недостающих» положительных зарядов (дырок) из внешнего контакта базы. Поэтому распределение избыточных концентраций электронов и дырок в базе одинаково, так что в любом сечении сохраняется квазинейтральность Δn(х) = Δp(x) (на рис. 2.2, à, l показаны только распределения электронов).
Таким образом, три процесса определяют распределение неравновесной концентрации в базе p-n-перехода при прямом напряжении:
- инжекция – вызывает увеличение граничной концентрации n(xp), т. е. приводит к появлению неравновесных носителей заряда в базе;
- диффузия – является причиной движения электронов через базу;
- рекомбинация – приводит к уменьшению неравновесной концентрации в базе вдали от p-n-перехода.
При обратном напряжении и < 0 на p-n-переходе потенциальный барьер для электронов увеличивается до величины φk+|u| ; p-n-переход расширяется \(\delta =\sqrt{\frac{2\varepsilon \varepsilon _{0}}{q}(\varphi _{k}+|u|)\frac{1}{n_{n}}}\) . При этом электроны вытягиваются из базы. Процесс вытягивания электронов из базы обратно смещенным
p-n-переходом называется экстракцией.
Три процесса определяют обратный ток p-n-перехода:
– экстракция электронов из базы, вызывающая уменьшение n(хp) и возникновение Δn(х);
– диффузия электронов из глубины базы к границе перехода xp;
– генерация пар электрон – дырка в областях, где n(х) < np.
Процесс генерации приводит к нарушению электронейтральности базы, так как генерированные электроны удаляются из базы путем экстракции. Восстановление электронейтральности базы происходит за счёт ухода «лишних» дырок через внешний контакт. Так же как и при прямом напряжении Δn(х) =Δp (x) в любом сечении базы. Распределение концентрации электронов при прямом и обратном напряжении приведено на рис. 2.2, à, l.
Итак, нарушение равновесия между диффузионной и дрейфовой составляющими электронного тока в обедненной области перехода под действием внешнего напряжения приводит к протеканию через всю структуру постоянного тока i. При этом природа тока в различных сечениях структуры не одинакова.
На рис. 2.2, g, m показаны составляющие полного тока в структуре перехода. В эмиттере и базе, за исключением областей, примыкающих непосредственно к переходу, ток переносится основными носителями и является дрейфовым (In пров в эмиттере и Ip рек или Ip ген – в базе). В базовом слое толщиной порядка Lnраспределение токов определяется диффузией неосновных и дрейфом основных носителей.