7.6. Прямое включение p-n-перехода.

Если к переходу подключить внешний источник с напряжением , как показано на рис. 7.6, а, таким образом, что вектор напряженности образованного им электрического поля будет направлен встречно вектору напряженности внутреннего поля , то в результате уменьшится разность потенциалов между областями (рис. 7.6, б):

, (7.8)

напряженность суммарного электрического поля в p-n-переходе также уменьшится:

, (7.9)

соответственно снизится высота потенциального барьера до величины и сузится область p-n-перехода. Причем зависимость ширины перехода от напряжения на нем описывается выражением

. (7.8)

Большое число основных носителей оказывается способным преодолеть снизившийся потенциальный барьер p-n-перехода, и через него начинает протекать значительный ток, который будет расти при увеличении приложенного напряжения, поскольку будет расти число носителей, способных преодолеть пониженный потенциальный барьер. Диффузионная составляющая тока через p-n-переход будет значительно выше дрейфовой составляющей . Ток, протекающий через переход, называют прямым током , а напряжение рассмотренной полярности называется прямым напряжением и считается положительным. При прямом включении p-n-перехода происходит инжекция носителей заряда – диффузионный перенос основных носителей в область, где они становятся неосновными.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов, в которых концентрация легирующей примеси в одной из областей перехода много выше, чем в другой области. В таком переходе более легированную область называют эмиттер, а менее легированную – база. Инжекцию в таких переходах можно считать односторонней, поскольку преобладает инжекция носителей из эмиттера в базу.

7.7. Обратное включение p-n-перехода.

Если к переходу подключить внешний источник с напряжением , как показано на рис. 7.7, а, таким образом, что вектор напряженности образованного им электрического поля будет сонаправлен с вектором напряженности внутреннего поля , то в результате увеличится разность потенциалов между областями (рис. 7.7, б):

, (7.9)

напряженность суммарного электрического поля в p-n-переходе также увеличится

, (7.10)

соответственно повысится высота потенциального барьера до величины и расширится область p-n-перехода. Зависимость ширины перехода от обратного напряжения на нем описывается выражением

. (7.11)

В таких условиях основные носители оказываются неспособными преодолеть повысившийся потенциальный барьер p-n-перехода, и через него протекает незначительный по величине ток неосновных носителей, для которых суммарное поле перехода является ускоряющим, т.е. .

Таким образом, обратный ток перехода в отличие от прямого является дрейфовым, его величина практически не зависит от напряжения, поскольку не меняется число носителей, создающих его. Напряжение рассмотренной полярности называется обратным напряжением и считается

отрицательным. При обратном включении p-n-перехода происходит экстракция носителей заряда – дрейфовый перенос неосновных носителей в область, где они становятся основными.

Поэтому через р-n переход будет протекать результирующий ток, называемый обратным током, и который оказывается меньше нуля

I_обр= I_диф - I_пров I_пров = I_s <0.

Обратный ток получается небольшим (в тысячи и более раз меньше прямого тока), т.к. концентрация неосновных носителей мала и кроме того, сопротивление р-n перехода при обратном включении очень велико.

Процесс выведения носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через р-n переход электрическим полем, созданным действием внешнего напряжения, называется экстракцией.

Таким образом, р-n переход обладает односторонней проводимостью – он хорошо проводит ток при прямом и плохо – при обратном включении.

Следует также отметить, что ширина р-n перехода зависит от концентрации примесей (удельного сопротивления) в областях р и n, величины и полярности приложенного напряжения. Ширину р-n перехода, к которому приложено внешнее напряжение, можно определить по следующей формуле

, (7.12)

где - относительная диэлектрическая проницаемость кристалла;

_о - электрическая постоянная ;

N_Д, N_А – концентрация донорных и акцепторных примесей;

U – внешнее напряжение, которое подставляется в формулу со знаком минус, если оно обратное.

Соотношение (7.12) показывает, что с увеличением концентрации примесей в р и n областях (с уменьшением удельного сопротивления) ширина (толщина) р-n перехода уменьшается. При обратном включении и при увеличении обратного напряжения ширина перехода увеличивается, а при прямом включении – уменьшается.