Обратносмещенный p-n переход

Если к p-области подключить отрицательный полюс внешнего источника напряжения, а к n-области - положительный, то такое включение p-n перехода получило название обратного смещения p-n перехода. Схема включения p-n перехода представлена на рис.6.

Под действием обратного напряжения Uобр основные носители заряда будут перемещаться от границ p-n перехода вглубь областей. При этом ширина

p-n перехода увеличивается, что хорошо демонстрируется потенциальной диаграммой рис.6.

Рис.6. Схема включения p-n перехода при обратном смещении и потенциальная диаграмма p-n перехода

На рис.6 обозначено: l_о - ширина p-n перехода в равновесном состоянии, определяемая по зависимости 1 - распределение потенциалов в равновесном состоянии p-n перехода; l_обр - ширина p-n перехода при обратном смещении, определяемая по зависимости 2 - потенциальная диаграмма при обратном смещении p-n перехода ; j_к - высота потенциального барьера в равновесном состоянии p-n перехода; (j_к+çUобрç) - высота потенциального барьера при обратном смещении p-n перехода.

Ширина обратносмещенного p-n перехода определяется по формуле:

.

Приближенная запись для l_обр оправдана, так как çUобрç>>j_к. Из формулы для l_обр видно, что p-n переход расширяется нелинейно с увеличением приложенного напряжения Uобр: вначале более быстро, затем расширение p-n перехода замедляется.

При подаче Uобр увеличивается потенциальный барьер, так как напряженность внешнего электрического поля Eвн совпадает с направлением напряженности внутреннего электрического поля Eк, уменьшается число основных носителей заряда способных его преодолеть и ток диффузии уменьшается. Уже при çUобрç=(0,1¸0,2) В ток диффузии становится равным нулю, а через p-n переход протекает только ток неосновных носителей заряда, образующих дрейфовую составляющую тока.

В результате действия обратного напряжения снижается концентрация неосновных носителей заряда у границ p-n перехода и появляется их градиент концентрации. Возникает диффузия неосновных носителей заряда к границам p-n перехода, где они подхватываются электрическим полем p-n перехода и переносятся через p-n переход. Это поясняется диаграммой рапределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в областях p-n перехода, приведенной на рис.7, на котором обозначено L_n, L_p - длина диффузии электронов и дырок.

Рис.7. Распределение концентраций носителей заряда в обратносмещенном p-n переходе

Как показано на рис.7, концентрация неосновных носителей заряда на границах p-n перехода практически падает до нуля. Снижение концентраций неосновных носителей заряда у границ p-n перехода, появление градиента их концентрации и диффузия неосновных носителей заряда к p-n переходу характеризуется экстракцией.

Экстракцией называется извлечение неосновных носителей заряда из областей, примыкающих к p-n переходу, под действием ускоряющего электрического поля.

Энергетическая диаграмма обратносмещенного p-n перехода приведена на рис.8.

Уровень Ферми в n-области опускается вниз на величину обратного напряжения. Обратный ток включает дрейфовую составляющую и равен:

.

С учетом принятых допущений имеем p_n>>n_p и i_Ep>>i_En, а, следовательно, можно приближенно записать .