p-n-переход смещен в прямом направлении

если к нему приложить напряжение U плюсом к -области, а минусом — к -области, то это напряжение почти полностью будет падать на -переходе, сопротивление которого во много раз выше сопротивлений областей . В -переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле, уменьшающее его внутреннее поле. Потенциальный барьер уменьшится и станет равным Соответственно уменьшится ширина -перехода (рис. 2.8, а, б) и его сопротивление.

В цепи потечет электрический ток. Однако до тех пор, пока , обедненный носителями заряда -переход имеет высокое сопротивление и ток имеет малое значение. Этот вызван дополнительным диффузионным движением носителей заряда, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера.

При толщина -перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении напряжения U переход как область, обедненная носителями заряда, исчезает вообще. В результате компенсации внешним напряжением потенциального барьера электроны и дырки, являющиеся основными носителями заряда в -областях, начинают свободно диффундировать в области с противоположным типом электропроводности. Следовательно существовавший в равновесном состоянии баланс токов диффузии и дрейфа нарушается и вследствие снижения потенциального барьера диффузия основных носителей заряда увеличивается. Через переход потечет ток, который называется прямым.

Введение («нагнетание») носителей заряда через электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счет снижения потенциального барьера называется инжекцией.

Рис. 2.8. Структура -перехода, смещенного в прямом направлении (а): распределение потенциала в -переходе

Если -переход является несимметричным и концентрация дырок в -области во много раз выше концентрации электронов в -области, диффузионный поток дырок будет во много раз превышать соответствующий поток электронов и последним можно пренебречь. В этом случае имеет место односторонняя инжекция носителей заряда.

В несимметричном p-n-переходе концентрации основных носителей различаются на несколько порядков (103—104). Поэтому концентрация инжектируемых неосновных носителей гораздо больше в высокоомном слое, чем в низкоомном, т. е. инжекция имеет односторонний характер. Неосновные носители заряда инжектируются в основном из низкоомного слоя в высокоомный.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером; слой, в который инжектируются не основные для него носители, — базой.

В результате инжекции в и -областях на границах перехода окажутся дополнительные носители заряда, не основные для данной области. Вблизи -перехода концентрации дырок в области и электронов в области отличаются от равновесной:

Из (2.16) следует, что концентрация неосновных носителей заряда на границе -перехода увеличивается по экспоненциальному закону в зависимости от напряжения, приложенного к нему.

Дополнительные неосновные носители заряда в течение времени компенсируются основными носителями заряда, которые приходят из объема полупроводника. В результате на границе -перехода появляется заряд, созданный основными носителями заряда, и выполняется условие .

Электронейтральность полупроводника восстанавливается. Такое перераспределение основных носителей заряда приводит к появлению электрического тока во внешней цепи, так как по ней поступают носители заряда взамен ушедших к и исчезнувших в результате рекомбинации.

Неосновные носители заряда, оказавшиеся вследствие инжекции на границе -перехода, перемещаются внутрь области с противоположным типом электропроводности. Причиной этого является диффузия и дрейф. Если напряженность электрического поля в полупроводнике невелика, основной причиной движения является градиент концентрации. Под его влиянием неосновные носители заряда (в рассматриваемом случае — дырки) движутся внутрь полупроводника, а основные (электроны) в сторону инжектирующей поверхности, где идет интенсивная рекомбинация.

При диффузии неосновных носителей заряда внутрь полупроводника концентрация их непрерывно убывает из-за рекомбинаций. Если размеры и -областей превышают диффузионные длины (массивный полупроводник), то концентрации неосновных носителей заряда при удалении от перехода определяются из выражений

здесь — расстояние от точки, где избыточная концентрация равна или

Таким образом, если в массивном полупроводнике в какой-то точке концентрация неосновных носителей заряда равна , то на расстоянии в глубине полупроводника она уменьшается в .

На расстоянии концентрация неосновных носителей заряда стремится к . Следовательно, вблизи -перехода ток в системе обусловлен в основном диффузионным движением инжектированных носителей заряда. Вдали от -перехода, где диффузионная составляющая тока стремится к нулю, последний имеет дрейфовый характер и основные носители заряда движутся в электрическом поле, созданном внешним напряжением на участке и -областей, имеющих омическое сопротивление. Если толщины областей достаточно малы, так что выполняется условие , можно считать, что концентрация неосновных носителей заряда внутри полупроводника изменяется по закону, близкому к линейному:

В установившемся режиме избыточные неосновные носители заряда, накопленные в области с противоположным типом электропроводности, несут заряд Q, значение которого пропорционально из концентрации, а следовательно, току через систему и постоянной времени жизни неосновных носителей заряда . Поэтому любое изменение тока сопровождается изменением заряда, накопленного с обеих сторон -перехода. При односторонней инжекции заряд в основном накапливается в высокоомной базе.

В равновесном состоянии через -переход протекает ток, имеющий две составляющие. Одна обусловлена диффузией основных носителей заряда в область, где они являются неосновными, другая — дрейфом неосновных носителей заряда теплового происхождения. При приложении к прямого напряжения это равновесие нарушается.

Ток диффузии основных носителей заряда за счет снижения потенциального барьера увеличивается в раз и является функцией приложенного напряжения:

— ток, протекающий в одном направлении через -переход, находящийся в равновесном состоянии).

Другая составляющая тока при приложении внешнего напряжения остается практически без изменения. Это обусловлено тем, что создающие ток электроны и дырки генерируются вблизи -перехода на расстоянии, меньшем диффузионной длины L. Те заряды, которые рождаются на большом расстоянии, в основном рекомбинируют не дойдя до перехода. Изменение ширины перехода для носителей заряда этого происхождения не играет существенной роли. Они как генерировались в пределах толщины, определяемой диффузионной длиной, так и будут генерироваться. Соответственно ток, обусловленный движением этих носителей заряда, останется без изменения, т. е. таким , как и в равновесном состоянии, при котором он был равен гоку и направлен навстречу ему. Следовательно, результирующий ток через при приложении прямого напряжения

Это уравнение идеализированного -перехода, на основе которого определяют вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов. Ток называют тепловым или обратным током насыщения. Его значения для полупроводника с определенными концентрациями примесей зависят только от температуры последнего и не зависят от приложенного напряжения. Изменение ширины и распределение потенциалов вблизи представлено на рис. 2.8, а, 6.