- •3. Собственные и примесные полупроводники
- •Неравновесное состояние полупроводника
- •Тема 2. Электронно-дырочный переход.
- •1.Формирование р-п-перехода
- •2.Р-п-переход при отсутствии внешнего напряжения.
- •3.Р-п-переход при прямом напряжении.
- •4.Р-п-переход при обратном напряжении.
- •Тема 3. Полупроводниковые диоды
- •1. Устройство полупроводниковых диодов
- •Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов
- •Дифференциальные параметры диода и емкости диода
- •5. Пробой диода.
- •Туннельный пробой.
- •Лавинный пробой.
- •Тепловой пробой.
3.Р-п-переход при прямом напряжении.
Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (рис. 2.2, а). Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым. Действие прямого напряжения , вызывающее прямой ток через переход,поясняется потенциальной диаграммой на рис. 2.2, б.
Электрическое поле, создаваемое в р-п-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами . Результирующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшается, т. е. 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 .Для сравнения на рис. 2.2,б штриховой линией повторена потенциальная диаграмма при отсутствии внешнего напряжения. Как известно, в этом случае токи равны и компенсируют друг друга.
При прямом напряжении ,и поэтому полный ток черезпереход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю:
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». 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».
При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также уменьшается толщина запирающего слоя (dnp < d) и его сопротивление в прямом направлении становится малым (единицы — десятки Ом).
Поскольку высота барьера 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, т. е. 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.
Рассмотрим еще характер прямого тока в разных частях цепи (рис. 2.2, а). Электроны из п-области движутся через переход в р-область, а навстречу им из р-области в п-область перемещаются дырки, т. е. 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 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 , наоборот, увеличивается. Полный прямой ток в любом сечении, конечно, один и тот же:
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 продолжает уменьшаться, а токувеличивается. У правого края р-области ток наименьший, а ток наибольший.
На рисунке 2.3 показано изменение этих токов вдоль оси х для случая, когда ток преобладает над током, вследствие того что 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.