4.3. Прямое включение p-n-перехода

Неравновесным состоянием p-n-перехода называют состояние, когда токи диффузии и дрейфа через переход неуравновешенны. Оно возникает, если к переходу приложить внешнее напряжение, которое понизит или повысит потенциальный барьер по сравнению с его величиной φ₀ в равновесном состоянии.

Рис. 4.2. Прямое включение p-n-перехода

Если к p-n-переходу приложить внешнее поле, то равновесное состояние нарушится. Считается, что p-n-переход включен в прямом направлении, когда внешнее напряжение U приложено плюсом к p-области, а минусом к n-области. Напряжение U почти полностью будет падать на p-n-переходе, сопротивление которого во много раз выше сопротивлений областей полупроводников p- и n-типа. В переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле Е, не совпадающее с направлением поля Е₀ перехода, что приведет к уменьшению суммарной напряженности электрического поля перехода, а это в свою очередь вызовет уменьшение ширины запирающего слоя d’_p-n, т.е. d’_p-n < d_p-n, где d_p-n – ширина p-n-перехода в равновесном состоянии, и высоты потенциального барьера:

U’ = U_к – U. Уменьшение высоты потенциального барьера вызывает рост диффузионных токов основных носителей и некоторое снижение дрейфовых (тепловых) токов неосновных носителей (рис. 4.2).

Зависимость тока диффузии от прямого напряжения имеет экcпоненциальный характер

;

,

где I_nо, I_pо – диффузионный ток электронов из n-области и дырок из p-области при U = 0. При комнатной температуре (e/kT) = 39 (1/В), поэтому экспоненциальная зависимость очень сильная. Тогда общий ток диффузии будет равен

,

где I_{диф о} = I_nо + I_ро.

Так как только внутреннее электрическое поле перехода способствует перемещению неосновных носителей заряда в соседнюю область, то тепловой ток, образуемый этими носителями, не зависит от напряжения, приложенного к p-n-переходу.

Полный ток через p-n-переход, называемый прямым током, равен разности диффузионного и теплового токов, так как они имеют противоположные направления

.

Так как I_диф = I_о при U = 0, поэтому

,

где I_о – тепловой ток.

Физический процесс введения носителей заряда через p-n-переход в область, где они являются неосновными носителями, за счет снижения потенциального барьера, называется инжекцией. Неосновные носители заряда инжектируются в основном из высоколегированного (низкоомного) слоя в низколегированный (высокоомный).

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером, а слой, в который инжектируются неосновные для него носители – базой.

4.4. Обратное включение p-n-перехода

Считается, что p-n-переход включен в обратном направлении, когда внешнее напряжение U приложено плюсом к n-области, минусом к p-области. При этом электрическое поле, создаваемое внешним источником, совпадает с внутренним полем p-n-перехода. В этом случае поля складываются и потенциальный барьер между p- и n-областями возрастает. Теперь он становится равным U’ = U_к + U (рис. 4.3.)

Движение основных носителей через p-n-переход уменьшится за счет их оттягивания от приконтактных слоев вглубь полупроводника, и при некотором значении U совсем прекратится. Ширина p-n-перехода станет больше, т.е. . Такое воздействие на p-n-переход называется обратным смещением.

Рис. 4.3. Обратное включение p-n-перехода

При обратном смещении по мере его увеличения остается все меньше подвижных носителей, способных преодолеть возросший потенциальный барьер, поэтому диффузный ток как электронов и дырок, так и полный ток через переход стремится к нулю, что описывается экспоненциальной зависимостью

.

При этом ток будет обусловлен в основном движением неосновных носителей, которые, попав в поле перехода, будут им захватываться и переноситься через p-n-переход.

Полный ток через p-n-переход при обратном включении будет равен

.

Таким образом, и в этом случае тепловой ток, вызванный движением неосновных носителей заряда, остается постоянным, а диффузный ток основных носителей уменьшается по экспоненциальному закону.

В общем случае, т.е. при любом включении p-n-перехода, полный ток равен выражению

, (4.1)

где внешнее напряжение U берется со знаком «плюс» при прямом включении и со знаком «минус» при обратном включении.

Это уравнение идеализированного p-n-перехода, на основе которого определяются вольтамперные характеристики полупроводниковых приборов.

Ток тепловой I_о называют обратным током смещения или просто обратным током. Величина тока I_о, обусловленная дрейфом неосновных носителей через переход, определяется площадью перехода S, степенью легирования материала (n_pо и p_nо) и параметрами полупроводника (D и L)

или с учетом того, что  = L²/D,

.

При определенной температуре ток I_о – величина постоянная, зависящая только от концентрации неосновных носителей n_pо и p_nо.