2.5 Обратное смещение p-n перехода. Экстракция.

Когда внешняя ЭДС приложена плюсом к n-слою (согласно с внутренней ЭДС), высота потенциального барьера увеличивается. Напряжение такой полярности называется обратным. Неравновесная высота потенциального барьера увеличивается на величину внешнего прямого напряжения . (2.30) Больцмановское равновесие нарушается в пользу дрейфа неосновных зарядов Дрейф неосновных зарядов не скомпенсирован встречной диффузией, jдр>>jдиф. их концентрации уменьшаются.

Уменьшение граничной концентрации неосновных зарядов при обратном включении р-n перехода по сравнению с равновесной называется экстракций.

Так как дрейфовые токи - это токи неосновных зарядов, концентрации которых на много порядков меньше концентрации основных, то и обратный ток p-n перехода очень мал. В идеализированной модели p-n перехода Iобр образуется в результате дрейфа зарядов с концентрациями pno и npo из узких слоев (шириной Lp и Ln), примыкающих к переходу.

Граничные концентрации неосновных зарядов при обратном включении

(2.31) (2.32)

Уже при Uобр=0,2 В Uобр/_Т= 200/25=8, e^8  10^4, p_n(0) n_p(0)0.

Избыточные концентрации неосновных зарядов

(2.33)

(2.34)

2.6 Несимметричный p-n переход. Эмиттер. База.

Несимметричные p-n переходы образуются между слоями с неравными концентрациями примеси. На рисунке изображен переход при NА>>NД. В этом случае pPO= NA* >> nno=NД* и через закон действующих масс nPO= ni2/NA* << pno= ni2/NД* 1. В соответствии с (2.16) NA*/ NД* = lon/ lop. При NА>>NД lon>> lop lo=lon+ lop lon (2.35) Несимметричный p-n переход располагается в области с меньшей концентрацией. 2. В прямом включении в соответствии с (2.26) и (2.27) pn(0)>> np(0) (2.36) - в несимметричном переходе наблюдается односторонняя инжекция – из области с большей концентрацией примеси в область с меньшей.

Область с большей концентрацией примеси (инжектирующая в прямом включении) называется эмиттер. Область с меньшей концентрацией примеси называется база. Чтобы выделить эмиттер, применяют символ +. В рассмотренном примере p-эмиттер и n-база, т. е. p⁺-n переход. Если N_Д>> N_A, то тогда n – эмиттер, а p – база, образуется p-n⁺ переход.

Ширина p⁺-n перехода

(2.37)

Распределение неосновных зарядов для p⁺-n перехода в прямом включении:

j_p>>j_n – плотность дырочного тока больше электронного, последним пренебрегат.

Распределение неосновных зарядов для p⁺-n перехода в обратном включении:

При обратном смещении также наблюдается резкая несимметрия тока.

2.7 Вах идеализированного p-n перехода.

Рассмотрим прямое включение p-n перехода. Основное условие при анализе – электрическое поле сосредоточено в p-n переходе, а движение зарядов в слоях подчинено диффузии.

Применяем результаты решения стационарного уравнения диффузии и зависимости избыточных концентраций неосновных (инжектированных) зарядов от напряжения (2.26), (2.27).

(2.38)

(2.39)

Структура токов:

(2.40)

(2.41)

(2.42)

(2.43)

Результирующие плотности дырочного и электронного токов определяем как суммы диффузионных и рекомбинационных составляющих:

Для определения полного плотности тока воспользуемся тем, что через переход протекают только диффузионные составляющие.

j=j_pдиф(0)+ j_nдиф(0)

, (2.44)

где - тепловой ток. (2.45)

В несимметричном p-n переходе диффузионный ток эмиттера доминирует.

(2.46)

Вах идеализированной модели (учет только токов диффузии) показана на рисунке. При Uпр>(35)T , При Uобр>(35)T , I=Io f(UОБР)

Тепловой ток через концентрации неосновных зарядов сильно зависит от собственных концентраций, а следовательно от ширины ЗЗ и температуры (название – тепловой).

. (2.47)

Ge: n_i²=10²⁶ см^6, Si: n_i²=10²⁰ см^6

- отношение токов при прочих равных условиях.

Кремниевые диоды имеют в 1 млн. раз меньше тепловой ток, чем германиевые – этим объясняется их преимущество.

Типовые значения тепловых токов

Si: Io=10^1510^12 A.

Ge: Io=10^910^6 A.

Противоречие p-n перехода:

Для уменьшения обратного (теплового) тока I₀ необходимо увеличивать высоту потенциального барьера Δφ₀ или ширину запрещённой зоны Δφ_з – это приводит к увеличению прямого напряжения.

Для уменьшения прямого напряжения необходимо уменьшать Δφ₀ и Δφ_з – это приводит к росту I_0.