1.2. Інжекція неосновних носіїв. Дифузійна ємність.

Процес уведення додаткової кількості рухомих носіїв у напівпровідник називається інжекцією (назва походить від англійського слова inject — упорскувати, уводити).

При протіканні через p‑ n перехід дифузійного струму відбувається інтенсивна інжекція електронів у p‑ область і дірок у n‑ область.

Інжектовані носії, наприклад дірки, дифундують усередину n‑ області, при цьому вони рекомбінують з основними носіями — електронами і їх концентрація, поступово, в міру збільшення віддалі від p‑n переходу, знижується до рівноважної концентрації. Те ж саме відбувається з електронами, які інжектовані в p‑ область.

Концентрація інжектованих носіїв зменшується в напрямку від p‑n переходу приблизно за експонентним законом (Рис. 1.3, в).

Таким чином, інжектованіносіїмаютькінцевий час життя. Для електронів час життяпозначається, а для дірок .

Утихмісцяхнапівпровідника, дезнаходятьсяінжектованіносії, якіневстиглирекомбінуватирівністьпереходитьунерівність.Такийстаннапівпровідниканазиваєтьсянерівноважним, а інжектованіносії — нерівноважниминосіями.

На Рис. 1.5, а показано приблизнийрозподілконцентраціїнерівноважнихносіїв (заштрихована область) для випадкунескінченнотонкого і несиметричного p‑n переходу . Цейрозподілдостатньо добре описуєтьсявиразом:

,

Цейвираз є розв’язкомдифузійногорівняннянеперервності при відсутностіелектричнихполів у напівпровіднику і коли поперечнийперерізнапівпровідникадорівнюєплощі p‑n переходу (Рис. 2.5, б). У цьомувиразіпозначені:— концентраціядірок на межі n‑області з p‑n переходом при інжекції.(Різницяє концентрацієюнерівноважнихносіїв на ціймежі);— концентраціядірок у глибині n‑області; — дифузійнадовжинапробігудірок у n‑області (вона рівнавідстані, на якійконцентраціядірок, інжектованих у p‑ область, зменшується в e разів).

Дифузійнадовжинапробігупов'язана з коефіцієнтомдифузії та часом життя. Цязалежністьмає вид:

де‑ коефіцієнт дифузії дірок.

Рис. 1.5. Розподілконцентраціїнерівноважнихносіїв заряду (дірок) при їхінжекції в електронну область (а, заштриховано) та схема, на якій, у символічнійформі, показано перенесення заряду через структуру p‑n переходу (б).

Усе сказане у відношенні інжекції дірок справедливо і для інжекції електронів.

Інжекція неосновних носіїв не супро­воджується порушенням електричної нейтральності тих областей, куди вони вводяться, тобто інжекція не спричиняє появи поля в об’ємі напівпровідника.

Розглянемо це на прикладі дірки. Дірка, яка попала в n‑ область (Рис. 1.5, б), є деяким позитивним зарядом, поле якого поширюється напівпровідником і приводить до “підтягування” електрона, негативний заряд якого повинен компенсувати заряд дірки. Однак у місці, звідкіля пішов електрон, теж з'являється позитивний заряд, що притягає наступний електрон, і т.д. Цей процес зі швидкістю світла поширюється кристалом і доходить до контакту, де надлишковий позитивний заряд компенсується електроном, який входить у кристал із зовнішнього кола. Таким чином, скільки в n‑ область через p‑n перехід інжектується дірок, стільки ж сюди приходить електронів із зовнішнього кола. Дірки, інжектовані через p‑n перехід, та електрони, які ввійшли через контакт, йдуть назустріч одні одному і рекомбінують в об’ємі напівпровідника.

Аналогічні процеси відбуваються при інжекції електронів у p‑ область, у якій одночасно з надходженням електрона через p‑n перехід відбувається надходженнядірки через контакт кристала з зовнішнім колом (що відповідає виходу електрона з напівпровідника в зовнішнє коло).

На практиці часто застосовують несиметричні p‑n переходи, у яких(чи).У них струм дифузії визначається, в основному, переходом (інжекцією) дірок з p‑ області в n‑ область (чи переходом електронів з n‑ області в p‑ область при).

Отже, при протіканні через p‑n перехід прямого струму біля переходу відбувається накопичення інжектованихнерівноважних носіїв. Ці носії створюють в n‑ і p‑ областях нерівноважні просторові заряди Q відповідних знаків, величини яких прямо пропорційні заштрихованим областям (Рис. 1.3, в). Нерівноважні заряди відповідно до закону електростатичної індукції притягають і утримують просторові заряди протилежних знаків, які створюються основними носіями цих областей, концентрація яких у місцях розташування нерівноважних носіїв підвищується (штрихова лінія, Рис 1.3, в). Кількість нерівноважних носіїв, наприклад дірок, у n‑ області буде залежати від величини потенційного бар'єра, тобто від напруги зовнішнього джерела.

Збільшення прямої напруги спричиняє збільшення нерівноважних та індукованих зарядів. Індуковані заряди можна розглядати як заряди деякої ємності p‑n переходу, що одержала назву дифузійної ємності.

Відомо, що, де Q — заряд, який накопичується ємністю. Зміна напруги на p‑n переході( )викликає збільшення дифузійного струму () і, як наслідок — збільшення кількості нерівноважних та індукованих зарядів ( ), отже, .

Якщо швидко змінити полярність джерела, то в початковий момент у зовнішньому колі потече значний зворотний струм, обумовлений зворотним переходом деякої кількості (нерівноважних) носіїв, накопичених у приконтактних областях p‑n переходу. Вони роблять цей перехід як неосновні носії.

При встановленні звичайної (рівноважної) концентрації неосновних носіїв у приконтактних областях p‑n переходу зворотний струм стане рівним.Велике значення зворотного струму в початковий момент при зміні полярності зовнішнього джерела відповідає як би розряду дифузійної ємності. Перезарядка дифузійної ємності не відбувається, тому що при відсутності струму дифузії дифузійна ємність перестає існувати.

Дифузійна ємність прямо пропорційна струмові дифузії та часові життя носіїв:

.

Для несиметричного p‑n переходу :

.