Прямое включение p-n перехода

При подключении к р-n переходу внешнего электрического поля динамическое равновесие токов через переход нарушается, поведение перехода при этом зависит от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение приложено навстречу контактной разности потенциалов, то такое включение р-n перехода называется прямым (рис. 1,а).

Внешнее напряжение почти полностью падает на р-n переходе, сопротивление которого во много раз выше сопротивлений р- и n-областей. С увеличением прямого напряжения высота потенциального барьера уменьшается: U₁ = U_к – U_пр. Основные носители областей полупроводника, приближаясь к р-n переходу, частично компенсируют объемные пространственные заряды, уменьшая тем самым ширину запирающего слоя и его сопротивление (рис. 1,б). В цепи протекает электрический ток, при этом диффузионная составляющая тока через переход увеличивается, а дрейфовая – уменьшается.

Рисунок 1

При |U_к| = |U_пр| толщина р-n перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении U_пр запирающий слой исчезает. Вследствие этого электроны и дырки начинают свободно диффундировать в смежные области полупроводника. Увеличение диффузионной составляющей тока через р-n переход при неизменной дрейфовой составляющей приводит к нарушению термодинамического равновесия:

. (1)

Через переход протекает ток, который называется прямым. Процесс переноса носителей заряда через прямосмещенный электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией. Часто прямой ток называют током инжекции.

В несимметричном р-n переходе, когда концентрация электронов в n-области во много раз больше концентрации дырок в р-области, диффузионный поток электронов во много раз превышает поток дырок и ими можно пренебречь. В этом случае имеет место односторонняя инжекция электронов. Область, из которой происходит инжекция, называется эмиттером, а область, в которую инжектируются носители, - базой.

Неравновесные неосновные носители зарядов диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление электронейтральности происходит за счет поступления носителей заряда от внешнего источника взамен ушедших к р-n переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Это приводит к появлению электрического тока во внешней цепи – прямого тока.