Диффузионные и дрейфовые токи в p-n переходе
Как отмечалось, диффузия электронов из п-области полупроводника в р-область и дырок из р-области в п-область полупроводника, явяется причиной появления диффузионного тока основных носителей, протекающего через границу полупроводниковых сред. В одномерном случае плотность этого диффузионного тока jдиф (в дальнейшем – тока) равна:
jдиф= jдиф.n+ jдиф.p =, (4.6)
где jдиф.n и jдиф.p – электронная и дырочная составляющие диффузионного тока; и - градиенты концентраций электронов в n-области и дырок в p-области полупроводника, 1/м4 вдоль координаты x; Dn и Dp – коэффициенты диффузий электронов и дырок, м2/c; q – заряд носителя тока, Кл.
Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок (рис. 4.2, б). В дальнейшем попавшие в n-область полупроводника неосновные носители тока - дырки рекомбинируют с с основными носителями тока - электронами, а в p-области электроны рекомбинируют с основными носителями тока – дырками. При этом неосновные носители заряда проходят путь, который называется диффузионной длиной.
Диффузионные длины дырок в n-области полупроводника
и электронов в p-области выражаются,
соответственно, соотношениями и , где τp и τn – времена жизни дырок в n-области и
электронов в p-области, соответственно.
Потенциальный барьер jк препятствует перемещению основных носителей тока, но не препятствует движению через переход неосновных носителей, имеющихся в p- и n-областях. Эти неосновные носители тока, имеющие энергию теплового происхождения, генерируются в объёме полупроводника и, дрейфуя к p-n переходу, захватываются его электрическим полем E.
Дрейфовый ток неосновных носителей равен
jдр = jдрn+ jдрp ,
где jдрn и jдрp – электронная и дырочная составляющие этого тока.
Этот ток очень мал, так как концентрация неосновных носителей мала и по своему направлению он противоположен току диффузии jдиф (рис. 4.2, б).
Поскольку через изолированный полупроводник ток проходить не должен, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие и общий ток через p-n переход равен
j=jдиф - jдр = 0. (4.7)
Таким образом, без приложения внешнего напряжения два
встречно-направленных потока носителей тока компенсируют друг друга.
Характерной особенностью зонной диаграммы p-n перехода является изгиб границ энергетических зон в n- и p-областях полупроводника. Причиной изгиба зон является появление в p-n переходе контактной разности потенциалов jк. При этом в обедненной основными носителями и, соответственно, более положительно заряженной приконтактной области n-полупроводника, границы зоны проводимости jс и валентной зоны jv изгибаются вверх, а в отрицательно заряженной приконтактной области p-полупроводника границы зон изгибаются вниз (рис. 4.2, б).