2.5 Электронно-дырочный переход при включении внешнего напряжения

2.5.1 Прямое включение р-n перехода

Прямым включением р-n перехода называют такое включение, при котором положительный полюс (плюс) внешнего источника подключается к области р, а отрицательный полюс (минус) – к области n (рис. 2.8а.). Напряжение внешнего источника в этом случае называют прямым напряжением U_пр. Под действием U_пр. возникает электрическое поле источника Е_пр, направленное настречу диффузионному полю Е_ко, поэтому результирующее поле в р-n переходе уменьшается и становится равным (рис. 2.8в)

Е_р-n = Е_ко - Е_пр.

Поле источника Е_пр. заставляет основные носители заряда двигаться в сторону р-n перехода, где они частично нейтрализуют заряды примесных атомов (дырки отталкиваются от плюса источника и перемещаются к границе р-n перехода, где частично нейтрализуют отрицательные атомы примесей, а электроны отталкиваются от минуса источника и перемещаются к границе р-n перехода, где частично нейтрализуют положительные атомы примесей), поэтому ширина р-n перехода (запирающего слоя) и его сопротивление уменьшаются.

Рис. 2.8

Уменьшению напряжённости результирующего электрического поля в р-n переходе соответствует снижение потенциального барьера до величины U_p-n= U_ко-U_пр (рис 2.8б). Количество основных носителей, способных преодолеть понизившийся потенциальный барьер увеличивается, в результате диффузионный ток I_диф резко возрастает. На величине же тока неосновных носителей I_пров изменение потенциального барьера не сказывается, так как он зависит от концентрации неосновных носителей, которая при данной температуре есть величина постоянная. Поэтому через р-n переход протекает результирующий ток, называемый прямым током

I_пр= I_диф - I_пров I_диф > 0.

Прямой ток направлен из области р в область n

Вследствие большой концентрации основных носителей и малого сопротивления р-n перехода прямой ток получается большим.

Процесс введения носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией.

2.5.2. Обратное включение р-n перехода

Обратным включением р-n перехода называют такое включение, при котором положительный полюс внешнего источника подключается к области n, а отрицательный полюс – к области р (рис. 2.9а). напряжение внешнего источника в этом случае называется обратным напряжением U_обр.

Под действием U_обр. возникает электрическое поле источника Е_обр, направление которого совпадает с направлением диффузионного поля Е_ко, поэтому результирующее поле в р-n переходе увеличивается и становится равным (рис. 2.9в).

Е_{р- n} = Е_ко + Е_обр.

Поле источника Е_обр. заставляет основные носители оттягиваться от р-n перехода (т.к. дырки притягиваются к минусу источника, а электроны – к плюсу), поэтому ширина р-n перехода и его сопротивление увеличиваются.

Рис 2.9

Увеличение напряжённости результирующего электрического поля в р-n переходе соответствует повышение потенциального барьера до величины

U_p-n= U _ко+ U_обр (рис 2.9б).

Количество основных носителей , способных преодолеть возвысившийся потенциальный барьер, уменьшается, в результате диффузионный ток резко уменьшается и становится меньше тока проводимости.

Ток же проводимости, как отмечалось выше, практически не зависит от величины приложенного напряжения и остаётся постоянным, т.к. величина этого тока определяется только концентрацией неосновных носителей в полупроводнике, которая при данной температуре является величиной постоянной. В этом смысле его можно назвать током насыщения (I_s). 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 [2] по следующей формуле

, (2.6)

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 (2.6) 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.