Вольт-амперная характеристика. Чтобы вывести зависимость величины тока через p-n-переход от внешнего смещающего напряжения U, мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи

Чтобы вывести зависимость величины тока через p-n-переход от внешнего смещающего напряжения U, мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи. В дальнейшем будем обозначать символом J плотность потока частиц, а символом j — плотность электрического тока; тогда j_e = −eJ_e, j_h = eJ_h.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода. I_s — ток насыщения, U_пр — напряжение пробоя.

При U = 0 как J_e, так и J_h обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При U ≠ 0 баланс нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток через объединённый слой. Он включает следующие две компоненты:

1. Ток генерации, то есть дырочный ток, текущий из n-области в p-область перехода. Как видно из названия, этот ток обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно в n-области обеднённого слоя при тепловом возбуждении электронов с уровней валентной зоны. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) в n-области чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в переносе тока через переход. Это происходит потому, что каждая дырка, попадающая в обеднённый слой, тут же перебрасывается в p-область под действием сильного электрического поля, которое имеется внутри слоя. В результате величина возникающего тока генерации не зависит от значения изменения потенциала в обеднённом слое, поскольку любая дырка, оказавшаяся в слое, перебрасывается из n-области в p-область.

2. Ток рекомбинации, то есть дырочный ток, текущий из p-области в n-область. Электрическое поле в обеднённом слое препятствует этому току, и только те дырки, которые попадают на границу обеднённого слоя, имея достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер, вносят вклад в ток рекомбинации. Число таких дырок пропорционально e^−eΔФ/kT и, следовательно,

В отличие от тока генерации, ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения U. Мы можем сравнить величины этих двух токов, заметив, что при U = 0 суммарный ток через переход отсутствует, то есть: J_h^rec = J_h^gen. Из этого следует, что J_h^rec = J_h^gene^eU/kT. Полный дырочный ток, текущий из p-области в n-область, представляет собой разность между токами рекомбинации и генерации:

J_h = J_h^rec − J_h^gen = J_h^gen(e^eU/kT − 1).

Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам. Поскольку электроны имеют противоположный заряд, электрические токи генерации и рекомбинации электронов совпадают по направлению с электрическими токами генерации и рекомбинации дырок. Поэтому полная плотность электрического тока есть j = e(J_h^gen + J_e^gen)(e^eU/kT − 1).