9. Начертить зонные диаграммы в равновесном состоянии, а так же при прямом и обратном напряжении.

а) Рассмотрим зонную диаграмму в равновесном состоянии (U = 0):

В равновесном состоянии p – n перехода уровень Ферми во всех областях одинаков. Контакт p – n – перехода приводит к искривлению энергетических зон: все энергетические зоны полупроводника n – типа оказываются ниже соответствующих энергетических зон

p – полупроводника. На границе p и n областей появляется потенциальный барьер, который тормозит проникновение электронов из области n в p область и дырок из р области в n область.

Величина энергетического барьера равна:

Этот потенциальный барьер является ускоряющим для перемещения электронов из p – области в n - область и дырок из n – области в p – область, т.е. для дрейфового тока.

В равновесном состоянии диффузионный ток компенсируется дрейфовым током и суммарный ток через p – n переход равен 0.

б) Рассмотрим зонную диаграмму при прямом включении p – n – перехода (U > 0):

Прямое напряжение уменьшает величину энергетического барьера на величину q·U_пр.

Все энергетические уровни n – области, в том числе и уровень Ферми, поднимутся относительно уровней p – области на ту же величину q·U_пр. Прямое напряжение уменьшает ширину запирающего слоя и сопротивления p – n – перехода. Уровень Ферми окажется различным для p и n областей полупроводника, из-за различия уровня Ферми через p – n – переход осуществляется направленное движение носителей (движение электронов из n – области в p – область).

Ток через p – n – переход:

Iпр = Ip-n диф + Ip-n др ≠ 0

По мере увеличения внешнего прямого напряжения через p – n – переход потечет большой ток, обусловленный движением основных носителей зарядов (n_n, p_p).

в) Рассмотрим зонную диаграмму при обратном включении p – n – перехода (U < 0):

При этом увеличится ширина запирающего слоя. Увеличивается высота потенциального барьера p – n – перехода на U_обр.

Из-за этого уменьшается возможность проникновения через основных носителей зарядов (электронов и дырок), а неосновные носители зарядов легко проходят через p – n – переход.

При обратном включении внешнего напряжения нарушается равновесие между дрейфовым и диффузными токами.

I_др > I_диф

Все энергетические уровни n – области, в том числе и уровень Ферми окажутся различными для p – n – областей из за различия уровней Ферми W_F через p – n – переход осуществляется направленное движение неосновных носителей (n_p, p_n).

10. Рассчитать вольт – фарадные характеристики для барьерной Сбар и диффузионной Сдиф емкостей.

Построим вольт–фарадную характеристику по данным из Таблиц №1 и №2:

Uпр, В	-2	-1	-0,2	-0,15	-0,1	-0,05	0,15	0,2	0,25	0,275	0,3
Сдиф, нФ							44,43	321,4	2332	6245	16769
Сбар, нФ	3,62	4,72	7,14	7,45	7,80	8,20	10,8	12,0	13,6	14,8	16,2

11. Рассчитать R₀ сопротивление постоянному току и r_диф переменному току на прямой ветви в точке, соответствующей I_пр = 10 mA, и обратной ветви в точке, соответствующей U =1 В. По результатам расчета сделать вывод о самом главном свойстве p – n – перехода.

Так как p-n-переход – нелинейный, то r_диф зависит от режима работы, т.е. от положения рабочей точки. Рабочая точка на прямой ветви задается током, а на обратной – напряжением.

Дифференциальное сопротивление вычислим по формуле:

Сопротивление постоянному току рассчитаем по формуле . Согласно значениям, полученным нами в п. 8, в рабочей точке U =1В, I = 3  10^-6 А. Получим:

Ом

Самое важное свойство p-n-перехода – на прямой ветви он оказывает проходящему току незначительное сопротивление, в то время как на обратной ветви оказываемое сопротивление очень велико (т.е. переход обладает односторонней проводимостью).

I_пр >> I_обр