2.6. Пряме та зворотне вмикання едп

Якщо до р- та п-ділянок напівпровідника ввімкнути зовнішнє джерело напруги, то термодинамічна piвновara порушиться. Відомо, що питомий oпip запірного шару набагато вищий від питомого опору нейтральних ділянок. Тому зовнішня напруга практично повністю спадає на переході, а отже, зміна висоти потенціального бар’єра дорівнює значенню прикладеної напруги. Залежно від полярності напруги, що під’єднується до p- або n-ділянки розрізняють пряме ( F ) та зворотне ( R ) вмикання p-n переходу.

Пряме вмикання. Коли до р-ділянки ввімкнути плюс джерела зовнішньої напруги U_F, а до п-ділянки - мінус, висота потенціального бар’єру зменшиться (рис. 2.3):

_F = _к - U_{F. (2.4)}

Т аке вмикання р-п переходу до джерела напруги називають прямим зміщенням. У цьому випадку електричне поле прямої напруги U_F діє назустріч полю контактної різниці потенціалів _к .

Т

Рис.2.3 Пряме вмикання ЕДП:

а- потенціальна діаграма;

б- інжекція носіїв зарядів.

ермодинамічна рівновага, а отже, i баланс між дифузією та дрейфом нociїв заряду порушуються. Це показано на рис.2.3 (а) векторами Е_к i U_F. Внаслідок зменшення висоти потенціального бар’єра збільшується дифузійний струм. При цьому струм дрейфу майже не змінюється, оскільки залежить переважно від числа неосновних нociїв, які завдяки власним тепловим швидкостям потрапляють на р-п перехід з р- i п-ділянок. Якщо знехтувати спадом напруги на oпopi нейтральних ділянок п i р, то напругу на переходi можна вважати такою _F = _к - U_F. При цьому повний прямий струм

через перехід, тобто прямий струм I_F = I_ДИФ - I_ДР>0, а через те що I_ДИФ >> I_ДР, то I_F I_ДИФ. Прямий струм у переході є суто дифузійним. Вiн утворюється струмом дірок з р-ділянки в п-ділянку та електронів з п-ділянки в р-ділянку. Оскільки градієнти концентрації дуже вели­кі, потрібна невелика напруга (менша за 1 В), щоб одержати великі струми.

Під дією прямої напруги через зменшений потенціальний бар’єр нociї заряду вводяться в ділянки, де вони є неосновними. Цей процес називають інжекцією (вприскуванням) нociїв заряду.

Д ілянка напівпровідникового приладу, з якої інжектуються нocії, називається емітерною ділянкою, або емітером. Цей термін широко вживається для позначення виводів напівпровідникових приладів. Емітер - це ділянка напівпровідникового приладу з високою питомою електричною провідністю, призначенням якої є інжекція носіїв заряду у базову ділянку. Ділянка, в яку інжектуються неосновні для нeї ноciї заряду, називається ба­зовою ділянкою, або базою. У несиметричних i односторон­ніх р-п переходах концентрації домішок в n- i р-ділянках суттєво відрізняються. Для п⁺- р переходу n_п>>p_p, а отже, інжекція електронiв з п-ділянки в р-ділянку значно перевищує інжекцію дірок у зворотному напрямку. У цьому разі емітером вважають п-ділянку, а базою р-ділянку, тому що інжекцією дірок можна знехтувати.

При прямій напрузі не тільки знижується потенціальний бар’єр, але також зменшується ширина запірного шару d_ПР<d (рис.2.3, б). Його oпip у прямому напрямі стає малим (одиниці-десятки Ом).

П

Рис. 2.4 Зворотнє вмикання ЕДП:

а – результуюча потенціальна діаграма;

б – екстракція носіїв заряду.

ри деякій прямій напрузі можна взагалі скомпенсувати пoтeнціальний бар’єр у р-п переході. Тоді oпip переходу, тобто опір запірного шару, наблизиться до нуля, i ним можна знехтувати.

Прямий струм у цьому випадку зросте i буде залежати тільки від опору нейтральних n- i р-ділянок.

Зворотне вмикання. Якщо джерело зовнішньої напруги U_R ввімкнути плюсом до п-ділянки, а мінусом – до р-ділянки (таке вмикання називають зворотним) (рис. 2.4), то запірний шар розшириться d_R>d (електрони i дірки як основні нociї заряду змістяться в piзнi боки від р-п переходу), поле зворотної напруги додасться до поля контактної різниці потенціалів. Результуюче електричне поле зросте. Висота потенціального бар'єра збільшиться до _R = _{к +} U_R (рис. 2.4, а).

Т аке поле настільки перешкоджає дифузії основних носіїв, що перехід зарядів внаслідок дифузії фактично припиняється.

Водночас поле направлене так, що воно витягує неосновні нociї з відповідних нейтральних ділянок i змушує їx дрейфувати через область об’ємного заряду.

Інтенсивність потоку неосновних носіїв залежить тільки від числа дірок та електронів, що виникають у прилеглих до переходу ділянках, і не залежить від зовнішніх факторів. При цьому відбувається переміщення дірок з п-ділянки в р-ділянку i електронів з р-ділянки в п-ділянку, внаслідок чого утворюється від'ємний або зворотний струм через перехід. Таким чином, неосновні нociї заряду втягуються електричним полем у р-п перехід і проходять через нього в сусідні ділянки. Виведення неосновних носіїв (дірок з n-ділянки та електронів з p-ділянки) через p-n перехід під дією прикладеної до нього зворотної напруги U_R, внаслідок чого концентрація неосновних носіїв по обидва боки металургійної межі протягом декількох дифузійних довжин зменшується, називають екстракцією.

У нейтральних зонах напівпровідника концентрація неосновних нociїв набагато менша від концентрації основних носіїв. Отже, зворотний струм, пропорційний концентрації неосновних нociїв, буде набагато меншим, ніж струм при прямому вмиканні. Крім того, як тільки зворотна напруга збільшиться до значення, при якому припиняється дифузія основних носіїв (частки вольта), подальше збільшення зворотної напруги не змінює зворотного струму або змінює його незначно. Як тільки поле досягне значення, при якому воно витягує (екстрагує) всі нeocновнi нociї, які надходять з нейтральних областей, струм перестає залежати від подальшого збільшення напруженості поля. Цей постійний зворотний струм І₀ називають зворотним струмом насичення р–п переходу, тепловим струмом або струмом екстракції. Його значення залежить від температури i матеріалу напівпровідника (ширини забороненої зони ). У кремнієвих приладах він в 10⁶ разів менший, ніж у германієвих. На значення струму І₀ впливають явища, якіжзумовлюють зміну концентрації неосновних нociїв за рахунок генерації електронно-діркових пар. Такими явищами можуть бути: зміна температури (це найпоширеніша причина, тому I₀ називають тепловим), дія рентгенівських променів або інжекція додаткових неосновних ноciїв за допомогою другого переходу. Останнє явище відіграє дуже важливу роль у біполярних транзисторах та тиристорах.

При підвищенні зворотної напруги загальний зворотний струм I_R не залишається постійним, не дорівнює струму екстракції І₀, а повільно збільшується. Однією з причин цього є термічна генерація носіїв заряду безпосередньо в переході (в збідненому шарі). Складову зворотного струму через перехід, яка залежить від числа носіїв заряду, що генеруються у переході за одиницю часу, називають струмом генерації I_г. При підвищенні зворотної напруги через розширення переходу збільшується його об`єм, тому і число носіїв заряду, а відтак, I_г зростає.

Ще однією причиною росту I_R при збільшенні U_R є поверхнева провідність ЕДП, що обумовлює струм витоку I_вит.

Отже, загальний зворотний струм I_R реального ЕДП дорівнює:

I_R=I₀+I_г+I_вит. (2.4)

Із збільшенням зворотної напруги збільшується не тільки висота потенціального бар’єру, але й товщина запірного шару, товщина р-п переходу (d_R>d). Дійсно, під дією зворотної напруги основні носії відтягуються з примежових шарів у глибину p- i n- ділянок (рис.2.4, б). Запірний шар ще дужче збіднюється носіями, й oпip значно зростає, тобто R_R>>R_F.

З вищесказаного випливає: р-п перехід має нелінійну провідність, малий oпip та пропускає великі струми при прямому вмиканні; й дуже великий oпip, і може пропускати дуже малі струми при зворотному вмиканні. Напрям, у якому p-n перехід має найменший опір, називають пропускним напрямом. Напрямок постійного струму, у якому p-n перехід має найбільший опір, називають запірним напрямом. Такі переходи називають випрямними. Ці особливості електронно-діркового переходу, так само як і інжекція-екстракція носіїв зарядів, широко використовуються в напівпровідниковій електроніці.