Приложенное к p-N-гетеропереходу внешнее напряжение прямой полярности уменьшает величину барьера, образованного контактной разностью потенциалов, приводя к увеличению диффузии носителей из одной области в другую, по сравнению с равновесным случаем.
При этом изменение концентрации носителей заряда по сравнению с равновесным происходит лишь в областях, равных диффузионным длинам электронов () и дырок () и расположенных по обе стороны гетероперехода в p-области и N-области, соответственно. Эти изменения происходят за счет существенного увеличения концентрации неосновных носителей в каждой области вблизи гетероперехода. Концентрации неосновных носителей больше не являются равновесными.
Концентрация же основных носителей в каждой из этих областей лишь незначительно отклоняется от своего равновесного значения при протекании электрического тока.
При приложении внешнего положительного напряжения величины U, значение контактной разности потенциала уменьшается на величину qU на диаграмме, приведенной на рис. 1, происходит смещение энергетических уровней N-типа полупроводника вверх по энергетической шкале на величину равную qU. В областях вблизи гетерограницы, по обе стороны от нее, происходит увеличение концентрации неосновных носителей. Границы этих областей определяются значениями диффузионных длин () и () для электронов в p-области и дырок в N-области соответственно.
Увеличение числа неосновных носителей вблизи гетерограницы можно определить потенциалами неравновесных уровней Ферми введенными для электронов в зоне проводимости и в валентной зоне, соответственно:
Квазиуровни Ферми и разделяются вблизи гетерограницы на два уровня и , как показано на рис. 2. Область гетероперехода с разделенными квазиуровнями Ферми можно рассматривать как двухуровневую систему с верхним -уровнем (уровень 2) и с нижним -уровнем (уровень 1) и пользоваться теорией двухуровневых квантовых систем.
Концентрации неосновных носителей определяются по формулам (20) и (21);
Где - собственная концентрация носителей,
- потенциал для уровня Ферми в собственном полупроводнике:
Рисунок 2 - Квазиуровни Ферми в анизотипных гетеропереходах
Перемножение выражений в (20) дает
Предполагается, что уровень - расположен в середине запрещенной зоны и не зависит от характера легирования. Его можно рассматривать в качестве эталонного уровня на всем протяжении гетероперехода.
В отсутствие внешнего напряжения для всего кристалла имеет место равенство:
На рис. 2 показано разделение квазиуровней Ферми при прямом смещении вблизи ОПЗ и в объеме N- и p-полупроводников где , определяются степенью легирования полупроводников и диффузионными длинами .
Для удобства на рис. 2 рассмотрен случай непрерывных .Не показаны разрывы при х = 0, по следующей причине. При большом прямом смещении, что всегда имеет место в излучателях, значения энергетических барьеров для носителей в активной зоне гетероперехода сохраняются независимо от значений разрывов .