2.2. Электронно-дырочный переход под действием внешнего напряжения. (прямое и обратное включение p-n-перехода. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода)

Внешнее напряжение U, приложенное к переходу плюсом к p-области, а минусом к n-области, называется прямым напряжением. Прямое напряжение направлено навстречу контактной разности потенциалов, поэтому потенциальный барьер снижается и становится равен U_П = φ_к – U. Соответственно, на энергетической диаграмме все уровни n-области (включая уровень Ферми) смещаются вверх, а уровни p-области – вниз относительно равновесного состояния. Пониженный барьер облегчает диффузию основных носителей. Ток диффузии становится много больше дрейфа, через переход течет прямой ток I = I_диф – I_др ~ I_диф.

С ростом прямого напряжения барьер уменьшается и прямой ток растет. Величина его может быть значительной, поскольку это ток основных носителей. Толщина перехода (обеднённого слоя) уменьшается.

При обратном включении p-n-перехода потенциальный барьер растёт и равен сумме U_n = φ_к + U. Энергетическая диаграмма показывает, что основные носители зарядов не могут преодолеть потенциальный барьер и диффузия основных носителей прекращается. Через переход течет только обратный дрейфовый ток неосновных носителей, для которых электрическое поле является ускоряющим. Этот обратный ток I₀ = I_др весьма мал вследствие малой концентрации неосновных носителей.

Толщина обеднённого слоя возрастает. Сопротивление перехода увеличивается. Таким образом p-n-переход обладает односторонней проводимостью.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:

где I0 – тепловой обратный ток p-n-перехода; U_д – напряжение на p-n-переходе; j_т = k T/ q – тепловой по­тенциал, равный контактной разности потенциалов (j_к) на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К, j_т = 0,025 В); k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; q –заряд электрона.

По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изменению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n-перехода ха­рактерен режим заданного прямого тока.

Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.

2.3. Дифференциальное сопротивление p-n-перехода.

ВАХ p-n-перехода представляет собой нелинейную зависимость между током и напряжением. В общем случае к p-n-переходу может быть приложено как постоянное напряжение, определяющее рабочую точку на характеристике, так и переменное напряжение, амплитуда которого определяет перемещение рабочей точки по характеристике. Если амплитуда переменного напряжения мала, перемещение рабочей точки не выходит за пределы малого участка характеристики и его можно заменить прямой линией. Тогда между малыми амплитудами тока и напряжения (или между малыми приращениями тока и напряжения Di и Du) существует линейная связь. В этом случае p-n-переход на переменном токе характеризуют дифференциальным сопротивлением r_pn:

Аналитическое выражение r_pn получим, дифференцируя:

При прямом напряжении r_pn мало и составляет единицы - сотни Ом, а при обратном напряжении - велико и составляет сотни и тысячи кОм.