3) Приложение обратного напряжения к переходу.
p-n-Перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Энергетическая диаграмма p-n-перехода. a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении.
Области пространственного заряда
В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.
Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и перетекание зарядов прекращается.
Если же внешнее напряжение приложено так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем между областями пространственного заряда, то это приведет лишь к увеличению областей пространственного заряда, и ток через p-n-переход не идёт. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением.
По мере увеличения внешнего напряжения остается все меньше подвижных носителей, способных преодолеть возрастающее тормозящее электрическое поле, и поэтому диффузионный ток через переход с увеличением обратного напряжения стремится к нулю. Эта зависимость имеет экспоненциальный характер:
(3.25)
(3.26)
где 1по и Iр0 — диффузионный ток электронов из n-области и дырок из р-области при U=0.
При комнатной температуре q/kT = 39 В-1 поэтому экспоненциальная зависимость очень сильная.
Согласно (3.2) и с учетом (3.25)и (3.26) получаем, что общий диффузионный ток
(3.27)
где Iдиф0 = 1р0 + In0.
Полный ток через переход равен разности диффузионного и теплового токов, поскольку они направлены в разные стороны. Практически все неосновные носители, подходящие к p-n-переходу, перемещаются в соседнюю область. Поэтому тепловой ток зависит от концентрации неосновных носителей в n-, p-областях и не зависит от напряжения, приложенного к p-n-переходу. Полный ток через p-n-переход
(3.28)
При внешнем напряжении, равном нулю, Iдиф0 =I0. поэтому зависимость тока от обратного напряжения принимает вид :
(3.29)
В случае приложения к p-n-переходу прямого напряжения U плюс источника подается к p-области, а минус — к n-области полупроводника. (рис. 3.7). В этом случае потенциальный барьер между p-n-областями уменьшается. Диффузия основных носителей через p-n-переход облегчается и во внешней цепи возникает ток, примерно равный току диффузии.