24. Обратное смещение р-n-перехода. Граничные концентрации носителей в р-n- переходе. Экстракция носителей.

При обратном смещении р—n- перехода источник внешне­го напряжения U подключается плюсом к области n, а мину­сом— к области р (рис. 2.6,а). При такой полярности внеш­него напряжения электрическое поле источника увеличивает поле в переходе. В результате потенциальный барьер обратно смещенного р—n - перехода увеличивается на величину внешнего напряжения и становится равным (рис. 2.6,б) (2.14)

Увеличение высоты потенциального барьера приводит к резкому уменьшению диффузионной составляющей тока ос­новных носителей. Электроны в области п и дырки в области р не имеют достаточной тепловой энергии для преодоления барьера, превышающего на величину, даже мень­шую 1 В, и отражаются от барьера назад. В то же время для неосновных носителей потенциального барьера не существу­ет, и они, попадая на границу области объемного заряда, захватываются его полем и перебрасываются в противопо­ложные области. Т. е. при обратном смещении ток через р—n- переход определяется только неосновными носителями. Концентрация неосновных носителей на границе перехо­да, как и при прямом смещении, определяется высотой по­тенциального барьера , т. е. для области n

Рис. 2.6. Структура (а) и зонные диаграм­мы (б) р—n- перехода при обратном сме­щении

. (2.15,a)

Аналогично для области р

. (2.15,б)

При . Поэтому, если к р—n - переходу приложено даже небольшое обратное напряжение, например , то можно считать, что и . Т.е. в широком диапазоне обратных напряжений , , и распределение концентрации неосновных носите­лей на границе р—n- перехода соответствует рис. 2.7. При обратном смещении происходит как бы отсасы­вание неосновных носителей от границ перехода. Такой процесс удаления носителей от перехода называется экстракцией носителей.

Рис. 2.7. Распределение концентрации неосновных носителей в пограничных областях обратносмещенного р—n- перехода

Обратное смещение увеличивает электрическое по­ле в области объемного за­ряда перехода, что вызывает увеличение ширины р—n- перехода. Например, для резкого р—n- перехода

.

25. Уравнение статической вольт-амперной характеристики идеализированного р-n перехода.

Статическая ВАХ р—n- перехода устанавливает связь между постоянными или медленно меняющимися значениями тока I через переход и напряже­нием U на нем. Вид этой характеристики определяется со­вокупностью ряда физических процессов в окрестности кон­такта р- и n- областей. Строгий анализ этих процессов для реальных p—n - переходов достаточно сложен. Для упрощения задачи обычно рассматривают идеализированную одномер­ную модель p—n - перехода без учета влияния поверхности, внешних омических контактов, процессов генерации и ре­комбинации носителей в области объемного заряда перехода и др. Учет этих эффектов проводится дополнительно, путем коррекции полученного уравнения ВАХ идеализированного p—n - перехода.

Рис. Составляющие прямого тока р—п - перехода

Полный ток, протекающий через p-n - переход, можно ус­ловно разбить на несколько составляющих. Неравновесные неосновные носители, появляющиеся около р-n-перехода за счет инжекции, диффундируют вглубь р- и n- областей и там рекомбинируют. Ток инжекции, переноси­мый этими носителями, имеет чисто диффузионный характер, и его величина определяется законом распределения носите­лей. Закон распределения инжектированных носителей опи­сывается уравнениями , Тогда плотность диффузионного тока, переносимая инжектированными дыр­ками, в n- области а плотность тока, переносимая инжектированными электро­нами в р- области:

Уменьшение инжектированного тока с расстоянием явля­ется следствием рекомбинации неравновесных неосновных носителей по мере диффузии их от перехода. Исчезновение основных носителей за счет рекомбинации их с неравновес­ными неосновными носителями восполняется внешним источ­ником через контакты к р- и n- областям. Составляющая тока основных носителей, идущих на рекомбинацию, называется рекомбинационным током Рекомбинационный ток изменяется обратно инжектиро­ванному. Кроме этих двух составляющих тока, в каждой из обла­стей протекают постоянные токи основных носителей, кото­рые идут на инжекцию в противоположные области. Сумма всех этих токов и определяет полный ток через p-n - переход. На границе перехода ( , рис. 2.8) полный ток имеет только две составляющие: инжектированный ток электронов и дырок. Следовательно, умножая плотность тока в этом мес­те на площадь перехода S, получим уравнение ВАХ p—n - перехода в виде

где называют обратным или тепловым током p—n - перехода. Уравнение показывает, что при прямом смещении p— n - перехода U>0 и ток имеет экспоненциальную зависи­мость от напряжения, а при обратном смещении U<0 и при и почти не за­висит от напряжения (рис. 2.9). Прямые токи переходов могут на несколько порядков превышать их обратные токи. Поэтому p—n - переход обладает вентильными свойствами: имеет высокую про­водимость при прямой полярно­сти приложенного напряжения и высокое сопротивление при об­ратной полярности напряжения.

Рис.2.9. Статическая вольт-амперная характеристика p—п - перехода