Качественное рассмотрение свойств смещенного p-n-перехода

(при внешнем напряжении)

Если к внешним выводам перехода приложить постоянное напряжение U, то это изменяет потенциалы и токи в переходе. При U>0 говорят, что переход смещен в прямом направлении. Если же U<0, то он смещен в обратном направлении. Различие свойств перехода при прямом и обратном напряжениях определяет возможность его работы в качестве выпрямляющего диода.

Прямое напряжение – это напряжение, полярность которого совпадает с полярностью основных носителей. Действие прямого напряжения, вызывающее прямой ток через переход, поясняется диаграммой на рис. 4. Электрическое поле, создаваемое в p-n-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть пониженный барьер

(33)

При прямом напряжении электроны и дырки диффундируют навстречу друг другу через пониженный потенциальный барьер перехода, т.е. диффузионный ток резко возрастает. Если барьер значительно понижен, то прямой ток в переходе является чисто диффузионным.

На основании (31) можно записать формулу для толщины обедненной области перехода

(34)

Эта формула справедлива как в случае U>0, так и в случае U<0.

Как следует из рис. 4, подача внешнего напряжения приводит к смещению квазиуровней Ферми относительно равновесного положения. Если U>0 (прямое смещение), то величина вычитается из и ширина обедненной области уменьшается. Если же U<0, то величины и суммируются, что ведет к расширению обедненной области.

Снижение высоты потенциального барьера при U>0 позволяет основным носителям пересекать p-n-переход и попадать в область, где они являются неосновными. Этот процесс называется инжекцией носителей заряда. Кроме того, при прямом смещении уменьшается толщина d перехода и соответственно уменьшается его сопротивление. Область полупроводника, из которой инжектируются носители, называется эмиттерной областью (или эмиттером). Область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда, называется базовой областью (или базой). Обычно в одной из областей концентрация основных носителей значительно больше, чем основных носителей в другой, например, . В этом случае инжекция электронов значительно превосходит инжекцию дырок в обратном направлении. Тогда эмиттером считают n-область, а базой p-область.

Рассмотрим характер прямого тока в разных частях цепи. Электроны и дырки движутся через p-n-переход навстречу друг другу, создавая два тока – электронный и дырочный. Попадая в p-область, инжектированные электроны диффундируют вглубь полупроводника и рекомбинируют с дырками. Аналогично инжектированные дырки рекомбинируют в n-области. В самом p-n-переходе вследствие его малой толщины при прямом напряжении рекомбинирует мало носителей.

Под действием обратного напряжения U<0 через p-n-переход протекает очень небольшой обратный ток, что объясняется следующим образом (рис. 4).

· Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера увеличивается

(35)

В результате диффузионное перемещение основных носителей заряда через p-n-переход прекращается, т.к. собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. Основные носители заряда под действием внешнего поля в момент его включения движутся от перехода, область пространственного заряда увеличивается.

· Дрейфовый ток (ток проводимости) остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей заряда, проходящих через p-n-переход. Выведение неосновных носителей через p-n-переход ускоряющим обратным напряжением называют экстракцией носителей заряда. Таким образом, обратный ток представляет собой дрейфовый ток (ток проводимости), вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, т.к. концентрация неосновных носителей очень мала.

· Сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении значительно возрастает, т.к. увеличивается толщина запирающего слоя d согласно формуле (34). Это слой еще сильнее обедняется носителями и его сопротивление значительно возрастает.

· Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным, т.к. число неосновных носителей ограничено. При внешнем освещении концентрация их возрастает и обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление перехода уменьшается.

Рис.4. Зонная диаграмма p-n-перехода в состоянии равновесия, при прямом и обратном смещениях.

Рассмотрим подробнее, как устанавливается обратный ток при включении обратного напряжения.

а) Сначала устанавливается переходной процесс, связанный с движением основных носителей. При этом электроны в n-области и дырки в p-области под действием внешнего поля удаляются от p-n-перехода. На контактах к монокристаллу они «уходят» во внешнюю цепь и создают кратковременный ток, подобный зарядному току конденсатора. Это движение основных носителей в противоположные стороны продолжается лишь малый промежуток времени.

б) Поскольку из n-области уходят электроны, она заряжается положительно, т.к. в ней остаются положительные ионы донорной примеси. Подобно этому p-область заряжается отрицательно, т.к. ее дырки заполняются приходящими электронами и в ней образуются отрицательные ионы акцепторной примеси.

Вся система становится аналогичной заряженному конденсатору с диэлектриком (запирающим слоем), в котором имеется некоторый ток утечки (обратный ток).

Барьерная емкость обратносмещенного перехода может быть вычислена следующим образом.

Барьерная емкость, отнесенная к единице площади

(36)

где Q – поверхностная плотность заряда. При U<0 это емкость некоторого конденсатора, к которому приложено напряжение ; диэлектриком конденсатора служит область перехода. Поэтому формулу (32) можно записать в виде

(37)

Отсюда

(38)

Таким образом, p-n-переход ведет себя как нелинейный конденсатор, емкость которого зависит от приложенного напряжения.