Прямое и обратное включение p-n перехода

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 Я = J_диф - J_пров.

Будем считать, что практически всё внешнее напряжение падает на
p-n-переходе и контактная разность потенциалов соответственно изменя­ется до величины φ_До–u; где u>0 соответствует подаче прямого напряже­ния на p-n-переход, а u<0 – подаче обратного напряжения (рис. 2.2, а, d).

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 x_р возрастает и значительно превышает равновесную концентрацию в базе n_р. Таким образом, инжекция электронов в базу при­водит к появлению неравновесных носителей в базе Δn(х_р) = n(x_р) – n_р. Вследствие возникшего градиента концентрации в базе начинается про­цесс диффузии электронов от границы перехода x_р 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, в, 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(x_р), 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 φ_До+|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(х_р) и возник­новение Δn(х);

– диффузия электронов из глубины базы к границе перехода x_р;

– генерация пар электрон – дырка в областях, где n(х) < n_р.

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, в, 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, г, м 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 (I_{N пров} в эмиттере и I_{р рек} или I_{р ген} – в базе). В базовом слое толщиной порядка L_Nраспределение токов определяется диффузией не­основных и дрейфом основных носителей.