Неравновесное состояние перехода

При приложении к переходу внешнего электрического поля U величина потенциального барьера изменяется. Рассмотрим вначале случай, когда внешнее электрическое поле уменьшает потенциальный барьер. Это произойдет в том случае, если к полупроводнику с электронной проводимостью приложить отрицательное напряжение, а к полупроводнику с дырочной проводимостью – положительное (рис.4.55б).

Понижение потенциального барьера приведет к тому, что поток электронов из n области в р область возрастет, поскольку снизившийся потенциальный барьер сможет преодолевать большее количество электронов. На рисунке это обстоятельство проиллюстрировано условно двумя электронами. В состоянии равновесия (рис.4.55а) электрон 2 проходит через обедненный слой, а электрон 1, имеющий меньшую кинетическую энергию, отражается от потенциального барьера. При включении перехода в прямом направлении электрон 1 получает возможность также пройти в р полупроводник. Вследствие этого концентрация неосновных носителей в нейтральных областях, граничащих с переходов, возрастет. Процесс возрастания концентрации неосновных носителей в областях, граничащих с перходом называется инжекцией.

Определим, на сколько возрастает концентрация электронов в р полупроводнике. Обратим внимание на физический смысл формулы (5.74). Она определяет соотношение концентрации электронов с энергией равной Е_с (на дне зоны проводимости n полупроводника) и электронов с энергией Е_с+j₀. Электроны с такой энергией имеют возможность свободно проходить в р полупроводник, и их концентрация совпадает с концентрацией электронов на дне зоны проводимости р полупроводника. Понижение потенциального барьера соответственно изменяет уровень энергии, необходимый для прохода электронов. Концентрация электронов с более низким уровнем энергии выше. Поэтому для определения изменения концентрации электронов в области, примыкающей к обедненному слою, достаточно заменить в ранее полученном выражении (5.74) j₀ на j₀ – U и n_p0 на n_p0+ D n_p.

(5.84)

Отсюда после несложных преобразований можно получить выражения для приращения концентрации неосновных носителей на границе обедненной области, возникающие из-за нарушения равновесия.

(5.85)

Легко видеть, что

(5.86)

Если концентрация примесей одного вида намного превышает концентрацию примесей другого вида, то инжекция получается односторонней. Обычно полупроводник с более низкой концентрацией примеси в электронных приборах называется базой, а полупроводник, являющийся источником инжектируемых частиц – эмиттером.

Для количественного описания инжекции используют: