Р-n переход при прямом напряжении

Напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым
(рис. 3.3,а).

Действие прямого напряжения u_ПР, вызывающее прямой ток i_ПР через переход, поясняет потенциальная диаграмма, изображенная на
рис. 3.3,б. На этом и последующих рисунках потенциальная диаграмма изображена упрощенно.

Для рассмотрения
р-n перехода процессы в остальных частях цепи не представляют интереса. Поэтому на диаграммах не показано изменение потенциала вдоль n- и р-областей, т.е. их сопротивление условно принято равным нулю. Не показано также изменение потенциала в контактах областей n и р с электродами, к которым присоединены провода от источника напряжения.

Электрическое поле, создаваемое в р-n переходе прямым напряжением, действует навстречу контактной разности потенциалов
(см. на рис. 3.3,а вектора Е_К и Е_ПР). Результирующее поле становится слабее, потенциальный барьер снижается, возрастает диффузионный ток, т.е. сниженный потенциальный барьер может преодолеть большее число носителей. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, т.к. он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на р-n переход из р- и n-областей. Если пренебречь падением напряжения на сопротивлениях областей n и р, то напряжение на переходе можно считать равным u_К – u_ПР. Для сравнения на диаграммах пунктирной линией повторена диаграмма в отсутствие внешнего напряжения. При прямом напряжении полный ток через прямо смешенный переход уже не равен нулю:

i_ПР = i_ДИФ – i_ДР > 0. (3.4)

Если барьер значительно понижен, то i_ДИФ >> i_ДР и можно считать, что i_ДИФ » i_ДР, т.е. прямой ток можно считать чисто диффузионным.

Введение носителей заряда через пониженный потенциальный барьер под действием прямого внешнего напряжения, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей зарядов. Область полупроводникового прибора, из которой инжектируются носители, называется эмиттерной областью или эмиттером. А область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда, называется базовой областью или базой. Для инжекции электронов n-область является эмиттером, а р-область – базой. Для дырок, наоборот, р-область эмиттерная, а n-область – базовая. На практике, в полупроводниковых приборах обычно концентрация примесей, а, следовательно, и основных носителей в n- и р-областях различна. Поэтому инжекция из области с более высокой концентрацией основных носителей преобладает. Соответственно этой преобладающей инжекции и дают названия эмиттер или база.

При прямом внешнем напряжении не только понижается высота потенциального барьера, но также уменьшается толщина запирающего слоя (d_ПР < d) и его сопротивление в прямом направлении R_ПР становится малым (единицы – десятки Ом).

Поскольку высота барьера u_К при отсутствии внешнего напряжения составляет несколько десятых долей вольта, то для значительного его понижения и существенного уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к р-n переходу такое же прямое напряжение (десятые доли вольта). Поэтому большой прямой ток можно получить при небольшом прямом напряжении. Очевидно, что при некотором его значении запирающий слой можно вообще уничтожить, при этом его сопротивлением можно пренебречь. Прямой ток в этом случае, возрастает, и будет зависеть только от сопротивления n- и р-областей. Теперь уже этими сопротивлениями пренебрегать нельзя, так как именно они остаются в цепи и определяют силу тока.

Рассмотрим характер прямого тока в различных частях цепи
(рис. 3.3,а). Электроны из n-области движутся через переход в р-область, а навстречу им из р-области в n-область перемещаются дырки, т.е. через переход протекают два тока: электронный и дырочный. Во внешних проводниках, конечно, движутся только электроны. Они перемещаются в направлении от минуса источника питания к n-области и компенсируют убыль электронов, диффундирующих через переход в р-область. А из
р-области электроны уходят в направлении плюса источника, и тогда в этой области образуются новые дырки. Такой процесс происходит непрерывно, что обеспечивает непрерывность прямого тока:

i_ПР = i _n + i _p = const. (3.5)