2.2.4. Прямое включение р-n-перехода

При использовании р-n-перехода в полупроводниковых приборах к нему подключается внешнее напряжение. Величина и полярность этого напряжения определяет электрический ток, проходящий через р-n-переход.

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (рис. 2.6, а). Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым.

Рис.2.6. Электронно-дырочный переход

при прямом напряжении

Действие прямого напряжения и_пр, вызывающее прямой ток i_пр через переход, поясняется потенциальной диаграммой на рис. 2.6, б. (На этом и следующих рисунках потенциальная диаграмма изображена упрощенно. Для рассмотрения р-п-перехода процессы в остальных частях цепи не представляют интереса. Поэтому на диаграммах не показано изменение потенциала вдоль п- и р-областей, то есть их сопротивление принято равным нулю. Не показано также изменение потенциала в контактах областей п и р с электродами, к которым присоединены провода от источника напряжения.)

Электрическое поле, создаваемое в р-п-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами Е_к и Е_пр. Результирующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшается, то есть высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на р-п-переход из п- и р-областей. Если пренебречь падением напряжения на сопротивлении областей п и р, то напряжение на переходе можно считать равным и_к - и_пр. Для сравнения на рис. 2.6, б штриховой линией приведена потенциальная диаграмма при отсутствии внешнего напряжения.

Как известно, в этом случае токи i_диф и i_др равны и компенсируют друг друга. При прямом напряжении i_диф > i_др и поэтому полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю:

i_пр = i_диф - i_др > 0 (2.23)

Если барьер значительно понижен, то i_диф >> i_др и можно считать, что i_пр  i_диф, т.е. прямой ток в переходе является чисто диффузионным.

Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Слово «инжекция» означает «введение, впрыскивание». Применение термина «инжекция» необходимо для того, чтобы отличать данное явление от электронной эмиссии, в результате которой получаются свободные электроны в вакууме или разреженном газе. Область полупроводникового прибора, из которой инжектируются носители, называется эмиттерной областью или эмиттером. А область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда, называется базовой областью или базой. Таким образом, если рассматривать инжекцию электронов, то п-область является эмиттером, а р-область - базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а базой - п-область.

Обычно концентрация примесей, а следовательно, и основных носителей в п- и р-областях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из области с более высокой концентрацией основных носителей преобладает. Соответственно этому области и называют «эмиттер» и «база». Например, если п_п >> р_р, то инжекция электронов из п-области в р-область значительно превосходит инжекцию дырок в обратном направлении. В данном случае эмиттером считают п-область, а базой - р-область, так как инжекцией дырок можно пренебречь.

При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также уменьшается толщина запирающего слоя (d_np < d) и его сопротивление в прямом направлении становится малым (единицы — десятки Ом).

Поскольку высота барьера и_к при отсутствии внешнего напряжения составляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и существенного уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к р-п-переходу такое же прямое напряжение (десятые доли вольта). Поэтому большой прямой ток можно получить при очень небольшом прямом напряжении.

Очевидно, что при некотором прямом напряжении можно вообще уничтожить потенциальный барьер в р-п-переходе. Тогда сопротивление перехода, то есть запирающего слоя, станет близким к нулю и им можно будет пренебречь. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть только от сопротивления п- и р-области. Теперь уже этими сопротивлениями пренебрегать нельзя, так как именно они остаются в цепи и определяют силу тока.

Рассмотрим еще характер прямого тока в разных частях цепи (рис. 2.6, а). Электроны из п-области движутся через переход в р-область, а навстречу им из р-области в п-область перемещаются дырки, то есть через переход протекают два тока: электронный и дырочный. Во внешних проводниках, конечно, движутся только электроны. Они перемещаются в направлении от минуса источника к п-области и компенсируют убыль электронов, диффундирующих через переход в р-область. А из р-области электроны уходят по направлению к плюсу источника, и тогда в этой области образуются новые дырки. Такой процесс происходит непрерывно, и, следовательно, непрерывно протекает прямой ток.

У левого края п-области электронный ток имеет наибольшее значение. По мере приближения к переходу этот ток уменьшается, так как все большее число электронов рекомбинирует с дырками, движущимися через переход навстречу электронам, а дырочный ток i_Р, наоборот, увеличивается. Полный прямой ток i_пр в любом сечении, конечно, один и тот же:

i_пр = i_n + i_р = const. (2.24)

Это следует из основного закона последовательной электрической цепи: во всех частях такой цепи ток всегда одинаков.

Так как толщина перехода очень мала, и он обеднен носителями, то в нем рекомбинирует мало носителей и ток здесь не изменяется. А далее электроны, инжектированные в р-область, рекомбинируют с дырками. Поэтому по мере удаления от перехода вправо в р-области ток i_n продолжает уменьшаться, а ток i_p увеличивается. У правого края р-области ток i_n наименьший, а ток i_p наибольший. На рис. 2.7 показано изменение этих токов вдоль оси х для случая, когда ток i_n преобладает над током i_p, вследствие того, что п_п > р_п и подвижность электронов больше подвижности дырок. Конечно, при прямом напряжении кроме диффузионного тока есть еще ток дрейфа, вызванный движением неосновных носителей. Но если он очень мал, то его можно не принимать во внимание.

Рис. 2.7. Распределение электронного и дырочного тока в р-п-переходе

Энергетическая диаграмма р-п-перехода при прямом смещении (рис. 2.8) строится и в этом случае, начиная с уровня Ферми, но в р-области его следует опустить на величину приложенного напряжения U. В каждой из областей относительное положение энергетических уровней не изменится.

Рис. 2.8. Энергетическая диаграмма при прямом включении p‑n-перехода