Ферми лежит вблизи потолка валентной зоны фвр, а в п-области - вблизи дна зоны проводимости фпп (см. рис. 3.3, б).

При высокой концентрации носителей будет больше искривление зонной диаграммы, увеличится перепад электростатических потенциалов в областях, возрастет величина потенциального барьера. В предельном случае она может оказаться равной ширине запрещенной зоны. Уменьшение концентрации в любой из областей смещает уровень Ферми к середине запрещенной зоны и снижает высоту потенциального барьера. Например, при комнатной температуре тепловой потенциал фт = 0,025 В, а потенциальный барьер у германиевых переходов Дфо=0,3-0,4 В, а у кремниевых он 0,7-0,8 В из-за большого собственного сопротивления.

Токи в /7-л-переходе. Диффузионное перемещение основных носителей заряда (дырок из р-области в я-область и электронов в обратном направлении) создает в переходе дырочную /рд и электронную /яд составляющие диффузионного тока (см. рис. 3.3, а):

Лиф=/ря+/пл- (3.4)

Для неосновных носителей заряда поле пространственного заряда в переходе является ускоряющим. Под действием этого поля возникает дрейфовое движение неосновных носителей через переход дырок из п- в р-область, а электронов - в обратном направлении. Встречное движение неосновных носителей создает дырочную jpE - и электронную /„е составляющие дрейфового тока:

J,,=-JpE + nE- (3-5)

В изолированном полупроводнике устанавливается динамическое равновесие, при котором диффузионный поток основных носителей, обусловленный локальным изменением концентрации, уравновешивается встречным дрейфовым потоком неосновных носителей, обусловленным градиентом потенциала

Лиф + /яр = 0. (3.6)

Равновесное состояние р-п-перехода характеризуется единым уровнем Ферми для всего объема полупроводника (см. рис. 3.3, б). Вблизи контакта р- и п-областей, где р = п=Пг, уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны. В условиях равновесия концентрации частиц по обе стороны от границы раздела хотя и не выравниваются, однако дальнейшее диффузионное перемещение зарядов невозможно из-за возникшего в переходе потенциального барьера.

Запирающий слой. Из-за диффузии частиц приконтактный слои p-fi-перехода имеет пониженную концентрацию основных носителей заряда, следовательно, обладает меньшей электропроводностью. Область р-п-перехода с малой электропроводностью называется запирающим слоем. В области р-/г-перехода есть прослойка с собственной электропроводностью. Она является наиболее высокоомной

частью запирающего слоя и не совпадает с границей перехода, где изменяется тип примеси, а смещается в сторону более высокоомной области.

Ширина запирающего слоя (см. рис. 3.2, в)

(3.7)

зависит от концентрации примесей Na и Лд, диэлектрической проницаемости полупроводника е и перехода ео, контактной разности потенциалов Афо. Для кремния с 8=12 при Афо=1 В и Na-Np = = 10 см-з получаем 1-1 мкм. При увеличении концентрации до Na=Nri-lO" см~з ширина перехода уменьшается до 0,1 мкм. В кристалле германия с 8=16 ширина перехода больше, чем в кремнии.

§ 3.2. Свойства р-п-перехода при смещении

Прямое смещение перехода. Подключим внешнее напряжение к переходу в прямом направлении, т. е. плюс источника к р-области, а минус к п-области (рис. 3.4, а). При этом напряженность электрического поля внешнего источника будет противоположна по направлению диффузионной напряженности, возникшей за счет контактной разности потенциалов. Результирующая напряженность поля в р-п-переходе снизится, уменьшится высота потенциального барьера до значения

ду=д%-г/пр. (3.8)

в этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшим значением энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер и проходить через р-п-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него течет прямой ток, обусловленный инжекцией неосновных (для п-области) носителей заряда из р-области в п-область. Область полупроводника, в которую происходит инжекция неосновных носителей, называют базой полупроводникового прибора, а область, из которой осуществляется инжекция, - эмиттером.

Рис. 3.4. Смещение перехода прямым и обратным напряжениями

Рис. 3.5. Распределение носителей при прямом и обратном напряжениях

Одним из следствий снижения потенциального барьера является уменьшение ширины перехода

пр = /Рго (Дуо - fA„p)/e] (Ла + N)/NN. (3.9)

Другим следствием уменьшения потенциального барьера является изменение граничной концентрации носителей заряда. Из-за инжекции неосновных носителей у границ запираюшего слоя образуются их неравновесные концентрации - дырок в п-области {рр> >Рпо), а электронов в р-области (Пр>Пр„). Концентрация неосновных носителей Рп и у границы раздела областей экспоненциально зависит от приложенного к переходу напряжения:

tnpZ-T

(3.10)

На рис. 3.5, а показаны рост концентрации неосновных носителей заряда Рп и Пр под действием прямого напряжения (сплошные линии) и их равновесные значения рп„ и Пр„ (штриховые линии). Значения избыточных концентраций Дрп и Аир неосновных носителей на границах перехода:

Рп =Рп~ Рп, = Р„„ - 1) ; А«р = Пр - п = {е""-г l) (3.11)

пропорциональны равновесным концентрациям рп„ и гг„„ основных носителей в областях. Вследствие возникновения градиентов концентрации у границы раздела дырки диффундируют от границы перехода вглубь п-области, где рекомбинируют с электронами, а электроны- из п- в р-область, рекомбинируя там с дырками. У внешних границ кристалла концентрации неосновных носителей равны их равновесным значениям.

Уровень инжекции. Относительное изменение концентрации инжектированных носителей на границе раздела областей полупроводника характеризует уровень инжекции. Он определяется как отношение приращения концентрации неосновных носителей Апр и