Высокий уровень инжекции

Аналитические выражения для ВАХ р-перехода (1.35) и (1.39) выводились исходя из условия малых плотностей токов, протекающих через р-n-переход (малый уровень инжекции).

Уровни инжекции ранжируются, по соотношению величин концентрации неосновных носителей, инжектированных в базе, и равновесной концентрации основных носителей в базе.

Для р⁺-n-переходов:Dp_n<< n_n0— малый уровень инжекции (МУИ), и p_nгр – p_n0 =Dp_n>> n_n0— высокий уровень инжекции (ВУИ).

Процессы, происходящие в р-n-переходах при больших плотностях тока, во многом определяютих работу и существенно видоизменяют аналитические выражения для ВАХ р-n-переходов. Подробнее рассмотрим те эффекты, которые учитываются при выводе аналитического выражения для ВАХ р-n-перехода, работающего при высоком уровне инжекции.

Во-первых, появляется электрическое поле в базе, направление которого способствует быстрейшему переходу неосновных носителей через базу. Появление поля вызвано следующим: в n-базу поступает такое количество неосновных носителей Dp_n, которое нарушает квазинейтральность области; для ее обеспечения из вывода базы в базовую область поступает такое же количество основных носителей Dn_n»Dp_n. Образуется электрическое поле, направленное от ОПЗ в глубь базы. Покажем, что наличие электрического поля в базе такого направления приводит к удвоению коэффициента диффузии неосновных носителей в базе.

Так как мы анализируем р⁺-n-переход, то можно полагать, что плотность электронного тока близка к нулю:

Из(1.58) .

Так как D_n/m_n = kT/q = D_p/m_p и полагая, что grad n = grad p, получаем

(1.59)

Плотность дырочного тока с учетом (1.59)запишем как

(1.60)

Из условия электронейтральности мы заключили, что Dp_n»Dn_n,

но Dp_n = p_n – p_n0, Dn_n = n_n – n_n0.

Полагая, что величина концентрации p_n0 очень мала по сравнению с другими величинами концентрации, в выражении (1.60) имеем n_n = p_n – n_n0. Подставляя выражение для n_n в (1.60), получим

(1.61)

При малом уровне инжекции Dp_n» p_n<< n_n0, учитывая это в выражении (1.61), получаем известное выражение для плотности диффузионного тока

j_p = – q D_p grad p.

При высоком уровне инжекиии р_n>> n_n0 и выражение (1.61) запишется как

Следовательно, коэффициент диффузии неосновных носителей в базе, как результат воздействия электрического поля, удваивается.

Во-вторых, при высоком уровне инжекции мы не можем считать, что вcе напряжение, приложенное к нему, падает на ОПЗ р-n-перехода. Действительно, при малых плотностях тока можно было пренебречь падением напряженияна омических сопротивлениях эмиттерной и базовой областей, т.е. величина U_RЭ + U_RБ» I_RБ мала. При ВУИ напряжение на p-n переходе будет суммой падении напряжений на ОПЗ и на базе _j= _опз + _RБ или, переходя к прибору, напряжение на диоде является суммой падений напряжений на p-n переходе и на базе _Д = _j+ _RБ

Для р-n-перехода с длинной базой аналитическое выражение вольт-амперной характеристики при высоком уровне инжекции

(1.63)

где выражение для плотности тока насыщения j_S такое же, как и в (1.37).

При высоких плотностях тока количество дырок Δp_n , инжектируемых в базу нарушает её квазинейтральность. Для его соблюдения из вывода в базу поступает такое же количество электронов Δn=Δp_n. Следовательно, удельное сопротивлениебазы Р_Б=1/σ_Б=1/qµ_n(n+Δn) уменьшается. Этот эффект, который играет определяющую роль в переходных процессах при ВУИ называют модуляцией сопротивление базы.

В инженерных расчетах трудно учесть такой эффект высокого уровня инжекции, как изменение времени жизни носителей заряда. Это происходит из-за изменений в процессе рекомбинации: возможно заполнение уровней ловушек, изменение концентрации как основных, так и неосновных носителей, изменение путей рекомбинации (например, возникновение рекомбинации через такие ловушки, через которые при малых плотностях тока онане происходит). Вcе это приводит к тому, что при больших плотноcтях тока время жизни носителей, зависящее от множества факторов, может и расти, и уменьшаться.