Прямое включение p-n-перехода

Прямое включение p-n-перехода осуществляется подачей внешнего напряжения положительным потенциалом к области р, отрицательным ¾ к области n. Напряженность внешнего электрического поля направлена противоположно напряженности внутреннего поля p-n-перехода (см. рис.2.7).

Это приводит к уменьшению результирующего поля в p-n-переходе, которое определяется разностью U = Dj₀ – U_пр. Т.о. высота потенциального барьера p-n-перехода уменьшается, и, следовательно, увеличивается диффузионная составляющая тока. При этом обусловленную неосновными носителями заряда дрейфовую составляющую тока, которая зависит только от температуры, можно считать неизменной. Разность диффузионного и дрейфового токов определяет результирующий прямой ток через переход:

J_пр = J_диф - J_др. (2.14)

С ростом приложенного внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается (т.к. уменьшается потенциальный барьер), поэтому возрастает прямой ток через переход.

Т.к. распределение носителей зарядов по энергетическим уровням экспоненциально зависит от приложенного прямого напряжения (см. (1.8), (1.9)), то и диффузионная составляющая тока также будет иметь экспоненциальный характер зависимости от приложенного напряжения. Тогда уравнение вольт-амперной характеристики p-n-перехода будет иметь вид:

, (2.15)

где I_н ¾ ток насыщения, равный по величине диффузионной и дрейфовой составляющим тока при отсутствии внешнего напряжения (I_н = I_диф = I_др); k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q - заряд электрона; U_пр - приложенное внешнее напряжение с учетом знака (прямое со знаком "+"; обратное со знаком "-"); j_Т ¾ температурный потенциал:

. (2.16)

Это уравнение справедливо и для прямого и для обратного включения p-n-перехода.

Т.о. прямая ветвь вольт-амперной характеристики p-n-перехода будет иметь экспоненциальный характер зависимости от приложенного напряжения (рис.2.8).

Прямой ток в p-n-переходе создается движением основных носителей заряда, концентрация которых намного выше концентрации неосновных носителей, движение которых создает обратный ток. Следовательно, p-n-переход обладает ярко выраженными вентильными свойствами, т.е. он проводит ток в прямом направлении намного лучше, чем в обратном. На рис.2.9. представлена полная вольт-амперная характеристика p-n-перехода.

Изменение температуры окружающей среды приводит к деформированию вольт-амперной характеристики p-n-перехода. При увеличении температуры прямая ветвь вольт-амперная характеристики приближается к оси токов, а обратная ¾ удаляется от оси напряжений (рис.2.9.). Для количественной оценки влияния температуры на вольт-амперную характеристику p-n-перехода вводят температурный коэффициент напряжения (Т.К.Н.) e, характеризующий изменение напряжения на переходе под действием температуры при фиксированном прямом токе:

. (2.17)

Для германия (Ge) e = -(1,2 ¸ 2)мВ/град; для кремния (Si) e = -(1,2 ¸ 3)мВ/град. В общем случае принимают e » 2,2мВ/град.

Обратный ток p-n-перехода сильно зависит от температуры, и для него справедлива зависимость:

, (2.18)

где Dt = t° – t₁°; a ¾ постоянный коэффициент.

Для германия a_Ge = (0,05 ¸ 0,07) ; для кремния a_Si = (0,05 ¸ 0,09) .

Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды можно пользоваться упрощенным выражением:

, (2.19)

Обратный ток для германиевых переходов меняется в 2 раза на каждые 10 градусов (t^*=10°), а для кремниевых переходов ¾ в 2 раза на каждые 7 градусов (t^*=7°).