1.3. Свойства pn-структуры при воздействии внешнего напряжения

Свойства РN -структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение. Характер этих изменений зависит от значения и полярности приложенного напряжения.

Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов (рис. 5,а). В этом случае дырки Р-области, отталкиваясь от приложенного к этой области положительного потенциала внешнего напряжения, приближаются к границе между областями и, скомпенсировав заряд части ионов акцепторов в приграничной зоне, сужают ширину РN- перехода, лежащую в Р-области. Аналогично, электроны N- области, отталкиваясь от отрицательного потенциала, приложенного к этой области, компенсируют заряды части ионов доноров, сужая ширину PN-перехода в N-области (рис. 5, б).

Рис. 5. PN-структура при прямом внешнем напряжении (а), концентрация носителей в ней (б) и распределение потенциала (в)

В итоге концентрация носителей в переходе возрастает и они приближаются к границе, разделяющей Р- и N-области. Носители, имеющие наибольшие значения энергии, преодолевают узкий и невысокий (равный разности U_К – U_прям, как показано на рис. 5, в) потенциальный барьер и переходят границу. Это нарушает равновесие между диффузионным и дрейфовым токами. Диффузионный ток становится преобладающим и появляется результирующий ток через переход.

С увеличением внешнего напряжения ток возрастает неограниченно, так как создается основными носителями, концентрация которых в обеих областях велика и непрерывно восполняется источником внешнего напряжения (так, на смену электронам N-области, рекомбинировавшим с дырками, перешедшими границу, от отрицательного полюса внешнего источника поступают новые свободные электроны).

Процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией. В рассмотренном случае дырки инжектируются из Р-области в N-область, где являются неосновными носителями, и создают большую часть тока (напомним, что рассматриваемая структура принята несимметричной с концентрацией акцепторов, большей, чем концентрация доноров). Одновременно происходит инжекция части электронов из N-области в Р-область, где они также являются неосновными носителями и, рекомбинируя с частью дырок, «вносят свой вклад» в создание тока, протекающего через PN- структуру.

Рассмотренная полярность внешнего напряжения, приводящая к снижению потенциального барьера, называется прямой, открывающей, а созданный ею ток прямым.

Рассмотрим теперь процессы в РN-структуре, к которой от внешнего источника приложено напряжение противоположной полярности (рис. 6, а). Под действием электрического поля источника дырки Р-области притягиваются, смещаются к отрицательному потенциалу внешнего напряжения. Аналогично свободные электроны N-области смещаются к положительному потенциалу внешнего напряжения. Таким образом, основные носители зарядов отодвигаются внешним полем от границы, разделяющей Р- и N-области, увеличивая ширину РN-перехода (рис. 6,б).

В итоге концентрация носителей заряда в РN-переходе снижается, а его электрическое сопротивление возрастает. Такая полярность внешнего напряжения называется обратной, запирающей. Потенциальный барьер при этом возрастает до U_К + U_обр (рис. 6, в). Количество основных носителей, способных преодолеть этот барьер, резко сокращается и диффузионный ток стремится к нулю.

Рис. 6. PN-структура при обратном внешнем напряжении (а), концентрация носителей в ней (б) и распределение потенциала (в)

Тем не менее, при обратном напряжении наблюдается протекание тока I_обр. Этот ток в отличие от прямого определяется носителями не примесной, а собственной проводимости. Они обозначены на рис. 6, а единственным электроном в Р-области и единственный дыркой в N-области. Электрическое поле ионов РN-перехода и внешнего напряжения, т. е U_К + U_обр, не является потенциальным барьером для этих, неосновных для своих областей носителей, а наоборот, втягивает их в РN-переход (отрицательно заряженный электрон Р-области притягивается как положительно заряженными ионами доноров N-области, так и положительным полюсом источника внешнего напряжения; аналогично влияет на дырку N-области поле ионов акцепторов Р-области и отрицательный полюс источника). Под действием сил электрического поля эти носители перемещаются, как указывают исходящие из них стрелки, создавая обратный ток.

Значение обратного тока практически не зависит от внешнего обратного напряжения. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон – дырка» при неизменной температуре остается неизменным, и при U_обр, равном десятым долям вольта, все носители собственной проводимости уже оказываются вовлеченными в создание обратного тока. Такое значение обратного тока называется током насыщения и обозначается I₀.

В заключение отметим, что в литературе наряду с терминами «прямое (обратное) приложенное напряжение» используются термины «РN-переход, смещенный в прямом (обратном) направлении».