p-n-перехід зміщений в прямому напрямку
якщо до нього прикласти напругу U плюсом до -області, а мінусом - до -області, то це напруга майже повністю буде падати на -переході, опір якого в багато разів вище опорів областей. У -переході з'явиться додаткове зовнішнє електричне поле, що зменшує його внутрішнє поле. Потенційний бар'єр зменшиться і стане рівним Відповідно зменшиться ширина-переходу (рис. 2.8, а, б) і його опір.
У ланцюзі потече електричний струм. Однак до тих пір, поки, збіднений носіями заряду-перехід має високий опір і струм має мале значення. Цей викликаний додатковим дифузійним рухом носіїв заряду, переміщення яких стало можливим у зв'язку зі зменшенням потенційного бар'єру.
При товщина-переходу прямує до нуля і при подальшому збільшенні напруги U перехід як область, збіднена носіями заряду, зникає взагалі. В результаті компенсації зовнішнім напругою потенційного бар'єру електрони і дірки, які є основними носіями заряду в -область, починають вільно дифундувати в області з протилежним типом електропровідності. Отже існував в рівноважному стані баланс струмів дифузії і дрейфу порушується і внаслідок зниження потенційного бар'єру дифузія основних носіїв заряду збільшується. Через перехід потече струм, який називається прямим.
Введення ( «нагнітання») носіїв заряду через електронно-дірковий перехід в область напівпровідника, де вони є неосновними носіями за рахунок зниження потенційного бар'єру називається інжекцією.
Мал. 2.8. Структура -переходу, зміщеного в прямому напрямку (а): розподіл потенціалу в -переході
Якщо -Перехід є несиметричним і концентрація дірок в -області в багато разів вище концентрації електронів в -області, дифузний потік дірок буде у багато разів перевищувати відповідний потік електронів і останнім можна знехтувати. У цьому випадку має місце одностороння інжекція носіїв заряду.
У несиметричному p-n-переході концентрації основних носіїв розрізняються на кілька порядків (103-104). Тому концентрація інжектіруемих неосновних носіїв набагато більше в високоомному шарі, ніж в низькоомними, т. Е. Інжекція має односторонній характер. Неосновні носії заряду инжектируются в основному з низкоомного шару в високоомний.
Инжектируются шар з відносно малим питомим опором називають емітером; шар, в який инжектируются не основні для нього носії, - базою.
В результаті інжекції в і-області на кордонах переходу виявляться додаткові носії заряду, не основні для даної області. Поблизу -переходу концентрації дірок в області і електронів в області відрізняються від рівноважної:
З (2.16) випливає, що концентрація неосновних носіїв заряду на кордоні -переходу збільшується за експоненціальним законом в залежності від напруги, прикладеного до нього.
Додаткові неосновні носії заряду протягом часу компенсуються основними носіями заряду, які приходять з обсягу напівпровідника. В результаті на кордоні -переходу з'являється заряд, створений основними носіями заряду, і виконується умова.
Електронейтральність напівпровідника відновлюється. Такий перерозподіл основних носіїв заряду призводить до появи електричного струму в зовнішньому ланцюзі, так як по ній надходять носії заряду замість тих, що пішли до і зниклих в результаті рекомбінації.
Неосновні носії заряду, які опинилися внаслідок інжекції на кордоні -переходу, переміщаються всередину області з протилежним типом електропровідності. Причиною цього є дифузія і дрейф. Якщо напруженість електричного поля в напівпровіднику невелика, основною причиною руху є градієнт концентрації. Під його впливом неосновні носії заряду (в даному випадку - дірки) рухаються всередину напівпровідника, а основні (електрони) в сторону инжектируются поверхні, де йде інтенсивна рекомбінація.
При дифузії неосновних носіїв заряду всередину напівпровідника концентрація їх безперервно зменшується через рекомбінації. Якщо розміри і -область перевищують дифузійні довжини (масивний напівпровідник), то концентрації неосновних носіїв заряду при видаленні від переходу визначаються з виразів
тут - відстань від точки, де надмірна концентрація дорівнює або
Таким чином, якщо в масивному напівпровіднику в якійсь точці концентрація неосновних носіїв заряду дорівнює, то на відстані в глибині напівпровідника вона зменшується в.
На відстані концентрація неосновних носіїв заряду прагне к. Отже, поблизу -переходу ток в системі обумовлений в основному дифузійним рухом інжектованих носіїв заряду. Далеко від -переходу, де диффузионная складова струму прагне до нуля, останній має дрейфовий характер і основні носії заряду рухаються в електричному полі, створеному зовнішнім напругою на ділянці і -область, що мають омічний опір. Якщо товщини областей досить малі, так що виконується умова, можна вважати, що концентрація неосновних носіїв заряду всередині напівпровідника змінюється за законом, близькому до лінійного:
У сталому режимі надлишкові неосновні носії заряду, накопичені в області з протилежним типом електропровідності, несуть заряд Q, значення якого пропорційно з концентрації, а отже, струму через систему і постійної часу життя неосновних носіїв заряду. Тому будь-яка зміна струму супроводжується зміною заряду, накопиченого з обох сторін-переходу. При односторонній інжекції заряд в основному накопичується в високоомній базі.
У рівноважному стані через -Перехід протікає струм, що має дві складові. Одна обумовлена дифузією основних носіїв заряду в область, де вони є неосновними, інша - дрейфом неосновних носіїв заряду теплового походження. При додатку до прямого напруги ця рівновага порушується.
Струм дифузії основних носіїв заряду за рахунок зниження потенційного бар'єру збільшується в раз і є функцією прикладеної напруги:
- струм, що протікає в одному напрямку через -Перехід, що знаходиться в стані рівноваги).
Інша складова струму при додатку зовнішнього напруги залишається практично без зміни. Це обумовлено тим, що створюють струм електрони і дірки генеруються поблизу -переходу на відстані, меншій дифузійної довжини L. Ті заряди, які народжуються на великій відстані, в основному рекомбинируют не дійшовши до переходу. Зміна ширини переходу для носіїв заряду цього походження не відіграє суттєвої ролі. Вони як генерувалися в межах товщини, яка визначається дифузійної довжиною, так і будуть генеруватися. Відповідно струм, обумовлений рухом цих носіїв заряду, залишиться без зміни, т. Е. Таким, як і в рівноважному стані, при якому він дорівнював гоку і спрямований назустріч йому. Отже, результуючий струм через при додатку прямого напруги
Це рівняння ідеалізованого-переходу, на основі якого визначають вольт-амперні характеристики напівпровідникових приладів. Струм називають тепловим або зворотним струмом насичення. Його значення для напівпровідника з певними концентраціями домішок залежать тільки від температури останнього і не залежать від прикладеної напруги. Зміна ширини і розподіл потенціалів поблизу представлено на рис. 2.8, а, 6.