Изменение концентрации зарядов в р-n – переходе
Для определения закона изменения концентрации электронов и дырок в запирающем слое рассмотрим уравнение условия равновесия для дырочного тока.
После преобразований получим:
P-n– переход при приложении прямого напряжения.
Wp n
pnX
Wсeφ0p eφк ЗП
Ueφ0n
WАuWФ
WВ
e
=eφ0p-eφ0n-uВЗWД
2LВЗ
При подключении к p-n– переходу внешнего напряжения оно будет всё падать на запирающем слое 2L, поскольку сопротивление этого слоя значительно больше, чем сопротивление объёмов п/пp- иn-типа.
За счёт
внешнего напряжения уменьшается
потенциальный барьер -
.
Равновесие нарушается и возникает
диффузионное движение основных носителей.
Вследствие диффузии концентрация этих
частиц у границ запирающего слоя
увеличивается.
Определим величины концентрации PnuиNpu. Для определения используется условие равновесия для дырочного тока. Концентрация избыточных электронов определяется из условия равновесия электронного тока.
Проведя преобразования, получим:
Следовательно, концентрация диффундировавших в n-п/п дырок, а в р-п/п электронов растёт на границе запирающего слоя экспоненциально с увеличением напряжения. В плоскостиLобразуется избыточная по сравнению с остальным объёмомn-п/п концентрация дырок и избыточная по сравнению с остальным объёмомp-п/п концентрация электронов.
Плотность диффузионного тока.
Вследствие образования избыточной концентрации зарядов появляется градиент концентрации и возникает диффузионное движение дырок от плоскости Lв глубьn-п/п, а для компенсации избыточного положительного заряда из объёмаn-п/п притекают электроны. Аналогичные процессы происходят вp-п/п (куда притекают избыточные электроны).
Рассмотрим процессы, происходящие в п/п n-типа.
В процессе диффузии от плоскости Lдырки рекомбинируют с электронами. На некотором расстоянииLpвеличинаPnu уменьшится до величиныPn . Эта величинаLpназываетсядиффузионной длиной дырок. Время, в течение которого снижается концентрация, называетсявременем жизни неосновных носителей р.
По мере удаления от плоскости Lв глубьn-п/п на величинуLpизбыточная концентрация дырок уменьшается вeраз.
Основываясь на такой физической модели, можно составить уравнение для изменения концентрации дырок. Решая его, получим следующее выражение дырочного тока.
Если X=L, то:
В результате снижения потенциального барьера и диффузии дырок на границе запирающего слоя возникает их избыточная концентрация в n-п/п. Градиент концентрации дырок между плоскостьюLи объёмомn-п/п:
Аналогично для диффузионного электронного тока:
Плотность дрейфового тока. Дырочный ток.
Рассмотрим
отношение
,
:
Аналогично можно вывести формулу для электронно-дырочной составляющей.
Физический результат вывода формулы для дрейфового тока можно объяснить на основе условия непрерывности. В результате образовавшейся в плоскости Lизбыточной концентрации дырок туда устремляются основные носители – электроны, обнажая вn-п/п положительные ионы доноров.
В результате возникает э.п., которое заставляет дрейфовать по направлению к запирающему слою дырки. Там они подхватываются контактным полем и переходят в р-п/п, где происходят такие же процессы с электронами.
Таким образом, при приложении прямого напряжения к p-n-переходу наряду с диффузионным потоком дырок изp- вn-п/п и диффузионным потоком электронов изn- вp-п/п возникает встречный поток неосновных носителей (дырок изn- вp-п/п и электронов изp- вn-п/п) за счёт поляEк.
ВАХ p-n-перехода
Если умножить все jна площадьp-n-перехода, то получим токи:
- диффузионные токи за счёт движения
основных носителей
- дрейфовые токи, обусловленные движением
неосновных носителей
I
Iпр
U
Iобр
P-n-переход под обратным внешним напряжением
Если к р-области приложить отрицательное внешнее напряжение, а к n-области положительное, токувеличится и через запирающий слой потечёт лишь ток, образованный перемещением неосновных носителей. При напряжении –0,5 В обратный ток равен току насыщения:
Iобр=Iнас=Ips+Ins
Все имеющиеся в п/п носители будут участвовать в создании дрейфового тока.
Диаграмма изменения потенциального барьера:
Wp EК n
E X
eφ0peφ0K
p n Wс eφ0n
WА u
UWФ
ВЗ WД
2L WВ