Токи через р-n переход в равновесном состоянии

Сквозные токи через р-п переход в состоянии равновесия связаны с наличием градиентов концентрации подвижных носителей заряда, а также градиента электрического потенциала в р-п переходе. Кроме того, через переход протекают токи, связанные с рекомбинацией и генерацией носителей заряда внутри р-п перехода. Механизмы протекания этих токов схематически представлены на рис. 11.2.2, где дырки изображены кружками со знаком «+», а электроны — со знаком «-».

Концентрация электронов в зоне проводимости «-области уменьшается по мере увеличения их энергии от уровня Е_(:. 11од действием хаотического теплового движения электроны могут попадать из «-области в р-п переход. Наименее энергичные электроны (с энергией, близкой к Е₍,) отражаются барьером и возвращаются в «-область (процесс 1 на рис. II.2.2, а). Более энергичные электроны дальше проникают в область р-п перехода, однако, если их кинетическая энергия меньше высоты барьера е (р_ВЕ, они также возвращаются в «-область, не вызывая тока через переход (процесс 2). Наконец, энергичные электроны с кинетической энергией, большей сф_ЙЯ, могут преодолеть барьер (процесс 3). С этими электронами связан ток инжекции у»,»_уо> направленный от p-области к.

Рис. II.2.2. Механизмы переноса носителей заряда через р-п переход (а) и связанные с ними токи инжекции, экстракции, рекомбинации и генерации (б).

«-области (рис. II.2.2, б), т. е. против оси х (направление электронного тока инжекции противоположно направлению потока электронов).

Этот ток полностью компенсируется встречным потоком электронов из р-области. В р-области электроны являются неосновными носителями и содержатся в весьма малом количестве. Если под действием теплового движения электроны попадают из p-области в р-п переход, они подхватываются электрическим полем перехода и переходят в я-область (процесс 4), вызывая протекание через переход тока экстракции JnextrQ' направленного вдоль оси х (вдоль поля). В состоянии термодинамического равновесия электронные токи инжекции и экстракции в точности компенсируют друг друга. Аналогичным образом взаимно компенсируются токи инжекции и экстракции дырок (процессы 3'—4'):

Помимо рассмотренных механизмов протекания тока существуют токи, связанные с процессами термогенерации и рекомбинации электронно-дырочных пар в области перехода. Дырки и электроны, проникающие в переход со стороны р- и «-областей, соответственно, имеют конечную вероятность рекомбинировать в переходе (процесс 5—5'). Рекомбинирующие носители попадают в место рекомбинации с разных сторон перехода (электроны — из п-, а дырки — из /^-области). Поэтому каждый акт рекомбинации связан с переносом заряда е через переход от/;- к «-области. Таким образом, рекомбинация носителей заряда в ОПЗ приводит к протеканию тока рекомбинации j_r0 в направлении оси х. При термогенерации электронно-дырочных пар в переходе образовавшиеся носители заряда подхватываются электрическим нолем, причем электроны переносятся в «-область, а дырки — в /(-область (процесс 6—6'). Возникающий при этом ток термогенерации j»о направлен против оси х (вдоль ноля) и в точности компенсирует ток рекомбинации.

Разумеется, суммарная плотность тока через переход в состоянии равновесия равна нулю.

Система равенств (II.2.7а, б, в) сильнее равенства (П. 2.8), так как свидетельствует о детальном равновесии встречных потоков электронов и дырок. Это равновесие является частным случаем проявления общего принципа детального равновесия.

Заметим также, что каждый из рассмотренных токов должен иметь малую величину. Токи экстракции малы ввиду того, что они создаются неосновными носителями в р- и и-областях, концентрации которых чрезвычайно малы. Токи инжекции малы ввиду того, что они создаются только наиболее энергичными носителями с кинетической энергией, большей высоты барьера сф_в/.-, число которых также мало. Наконец, токи рекомбинации-генерации малы ввиду малых размеров р-п перехода (число генерированных пар мало) п малого времени пребывания носителей в переходе (число рекомбинирующих пар мало).

Интересно отметить, что несмотря на равенство нулю суммарного тока, рассмотренные механизмы токов могут быть обнаружены экспериментально. Каждый из механизмов имеет случайный характер и поэтому проявляется в виде шумового тока, который может быть рассчитан и измерен. Разумеется, средняя по времени величина каждого из шумовых токов равна нулю, но соответствие рассчитанных и измеренных значений их спектральных плотностей служит прямым подтверждением теоретических представлений.

Выявленные механизмы токов в равновесном состоянии позволяют предсказать качественный вид ВАХ р-п перехода. Если приложить к переходу напряжение положительной полярности V > 0 («+» к р-области, «-» к и-области), высота потенциального барьера еу_ВЕ между р- и «-областями снижается, что должно привести к резкому возрастанию токов инжекции. При обратной полярности внешнего напряжения высота потенциального барьера возрастает, и токи инжекции практически полностью перекрываются (кривая 1 на рис. II.2.3, а). Токи экстракции не связаны с необходимостью преодоления потенциального барьера, поэтому их величина не зависит от приложенного к переходу напряжения (прямая 2 на рис. 11.2.3, а). В результате ВАХ токов инжекцииэкстракции имеет ярко выраженный «диодный» характер, обеспечивающий односторонний характер проводимости (кривая 3 на рис. II.2.3, а).

Ток рекомбинации в переходе также должен быстро возрастать с ростом напряжения положительной полярности, так как снижение барьера приводит к увеличению расстояния, на которое основные носители заряда могут проникать в переход. Таким образом, с ростом прямого напряжения повышается количество электронов и дырок в переходе, и, следовательно, интенсивность их рекомбинации. При обратном напряжении достаточно большой величины носители заряда практически не попадают в ОПЗ, и ток рекомбинации снижается до нуля (кривая 4 на рис. П. 2.3, б). Ток термогенерации не зависит от концентрации электронов и дырок и на первый взгляд не должен зависеть от напряжения. Однако, как будет показано ниже, с ростом обратного напряжения увеличивается ширина ОПЗ, что приводит к возрастанию тока термогенерации (кривая 5 на рис. П. 2.3, б). В результате ВАХ токов генерациирекомбинации также имеет «диодный» характер, хотя и не столь ярко выраженный (кривая 6 на рис. П. 2.3, б).

Рис. П. 2.3. Вид ВАХ токов инжекции-экстракции (а) и рекомбинации-генерации (б):

• 1 — (п 2 — Ur (п з — 1щ (V) + 1_ет (V); 4-/, 00;
• 5-/,(V); 6-/,(V) + /",(V)