2.11. Компоненты тока и квазиуровни Ферми в р-n переходе

Рассмотрим токи в электронно-дырочном переходе в равновесном (рис. 2.11) и неравновесном (при наличии внешнего напряжения, рис. 2.12) состоянии.

Рис. 2.11. Зонная диаграмма p-n перехода, иллюстрирующая баланс токов в равновесном состоянии

В равновесном состоянии в p-n переходе существуют четыре компоненты тока - две диффузионные и две дрейфовые. Диффузионные компоненты тока обусловлены основными носителями, дрейфовые - неосновными. В условиях термодинамического равновесия (V_G = 0) суммарный ток в p-n переходе равен нулю, при этом диффузионные и дрейфовые компоненты попарно уравновешивают друг друга:

При неравновесном состоянии если приложено прямое внешнее напряжение, то доминируют диффузионные компоненты, если приложено обратное напряжение, то доминируют дрейфовые компоненты.

Рис. 2.12. Зонная диаграмма p-n перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов в неравновесном состоянии:
а) прямое смещение; б) обратное смещение

В неравновесных условиях область пространственного заряда p-n перехода описывается двумя квазиуровнями Ферми - отдельно квазиуровнем Ферми для электронов F_n и отдельно для дырок F_p. При приложении внешнего напряжения расщепление квазиуровней Ферми F_n и F_p равно приложенному напряжению V_G [4, 3]. Пространственно область расщепления квазиуровней находится на расстоянии порядка диффузионной длины от металлургического p-n перехода (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Зонная диаграмма, иллюстрирующая расщепление квазиуровней Ферми F_n и F_p при приложении внешнего напряжения V_G > 0

Распределение концентрации неравновесных носителей в ОПЗ p-n перехода и в квазинейтральном объеме будет отличаться от равновесного. На границе области пространственного заряда, где F_p - F_n = qV_G, выражение для концентрации n_n, p_n будет:

В условиях низкого уровня инжекции концентрация основных носителей не меняется. Поэтому

   (2.56)

На рисунке 2.14 показано распределение основных и неосновных носителей в p-n переходе в неравновесных условиях при прямом и обратном смещении.

Закон изменения неосновных неравновесных носителей, инжектированных в квазинейтральный объем, будет обсуждаться в следующем разделе. Здесь же обращаем внимание на то, что на границе с квазинейтральным объемом полупроводника концентрация неосновных носителей меняется в соответствии с уравнением (2.56), т.е. увеличивается при прямом смещении и уменьшается при обратном смещении.

Рис. 2.14. Распределение основных и неосновных носителей в p-n переходе в равновесном (сплошная линия) и неравновесном (пунктирная линия) состояниях
а) прямое смещение (V_G = +0,25 В);
б) обратное смещение (V_G = -0,25 В)