3.2. Властивості p-n-переходу при наявності зовнішньої напруги Пряме включення джерела напруги

Джерело під’єднується до p-n-переходу так, що поле, створене зовнішньою напругою у p-n-переході, спрямоване назустріч власному полю p-n-перехода. Це призводить до зниження висоти потенційного бар’єра. Ширина p-n-переходу зменшується і стає рівною.

Рис.15

Рівень у n-області підіймається, у p-області опускається. Частина основних носіїв, що мають найбільше значення енергії, може невисокий потенціальний бар’єр, і перейти через межу, що розподіляє напівпровідник n- й p-типу. Це призводить до порушення рівноваги між дрейфовим й дифузійним струмами. Дифузійна складова струму стає більше дрейфової, у результуючий прямий струм через перехід виявляється відмінний від нуля.

.

По мірі збільшення зовнішньої прямої напруги, струм через перехід може зростати досить значно, тому що він обумовлений рухом основних носіїв, концентрація яких в обох областях досить велика.

Носії заряду, що подолали потенційний бар’єр потрапляють в область напівпровідника, для якої вони є неосновними. Процес введення носіїв заряду в область напівпровідника, де ці носії заряду є неосновними, називають інжекцією.

Інжектовані носії дифундують вглиб відповідної області напівпровідника, рекомбінуючи з основними носіями цієї області.

Одночасно з інжекцією дірок в n-область відбувається інжекція електронів у p-область. Процеси, що виникають при цьому, будуть аналогічними.

Зворотнє включення

Зовнішнє джерело під’єднується так, що електричне поле, що утворюється ним, співпадає за напрямком з полем p-n-переходу.

Потенційний бар’єр між p- й n-областю зростає, і стає рівним .

Рис.16

Кількість основних носіїв, здатних подолати дію результуючого електричного поля, зменшується. Відповідно зменшується струм дифузії основних носіїв заряду. Під дією електричного поля зовнішнього джерела, основні носії будуть віддалятися від приконтактних шарів вглиб напівпровідника. В результаті ширина p-n-переходу збільшиться.

Для неосновних носіїв потенційний бар’єр в електронно-дірковому-переході відсутній і вони втягуються полем в область p-n-переходу. Це явище називають екстракцією.

При зворотному включенні переважну роль відіграє дрейфовий струм, що одержав назву зворотного струму

.

3.3. Вольт-амперна характеристика р-n переходу

Рис.17

Властивості електронно – діркового переходу наочно ілюструються його вольт - амперною характеристикою (рис. 17,а), що показує залежність струму через р - п перехід від величини і полярності прикладеної напруги.

Аналітичним вираженням вольт-амперної характеристики р-n переходу є формула

,

де І₀ – зворотний струм насичення р-n-переходу, обумовлений фізичними властивостями напівпровідникового матеріалу; U – напруга, прикладена до р-n-переходу; еxp – основа натурального логарифму; е – заряд електрона; k – постійна Больцмана; Т – абсолютна температура р-n-переходу.

Дана формула придатна як для прямих, так і зворотних напруг (пряма напруга позитивна, зворотна — від'ємна). При позитивних (прямих) напругах струм через р-n-перехід зі збільшенням напруги різко зростає. При негативних (зворотних) напругах показник ступеня числа е – від'ємний Тому при збільшенні зворотної напруги величина стає значно менше одиниці і нею можна зневажити. При цьому , тобто зворотній струм дорівнює струму насичення й у визначених межах залишається величиною практично постійною. Звичайно струм І₀ має величину порядку мікроампер.

Пробоєм р-n-переходуназивають явище різкого збільшення зворотного струму при досягненні зворотною напругою деякого критичного значення.

Розрізняють два види пробою: електричний (оборотний) і тепловий (необоротний).

Електричний пробійвідбувається в результаті внутрішньої електростатичної емісії і під дією ударної іонізації атомів напівпровідника (лавинний пробій). Внутрішня електростатична емісія в напівпровідниках аналогічна електростатичній емісії електронів з металу. Сутність цього явища полягає в тому, що під дією сильного електричного поля електрони можуть звільнитися з ковалентних зв'язків і одержати енергію, достатню для подолання високого потенційного бар'єра в області р-n-переходу. Рухаючись з більшою швидкістю на ділянці р-n-переходу, електрони зіштовхуються з нейтральними атомами й іонізують їх. У результаті такої ударної іонізації з'являються нові вільні електрони і дірки, що, у свою чергу, розганяються полем і створюють усезростаючу кількість носіїв струму. Описаний процес носить лавиноподібний характер і приводить до значного збільшення зворотного струму через р-n-перехід. Таким чином, надмірно збільшувати зворотну напругу не можна. Якщо вона перевищить максимально припустиму для даного р-n-переходу величину (на рис. 17,а), то ділянка р-n-переходу проб'ється, і р-n-перехід втратить властивість однобічної провідності (тепловий пробій).

Тепловий пробійр-n-переходу відбувається внаслідок виривання валентних електронів зі зв'язків в атомах при теплових коливаннях кристалічних ґрат. Теплова генерація пар електрон-дірка приводить до збільшення концентрації неосновних носіїв заряду і до росту зворотного струму. Збільшення струму, у свою чергу, приводить подальшого підвищення температури. Процес наростає лавино подібно.

Електричний і тепловий пробої р-n-переходу в багатьох випадках відбуваються одночасно.

Аналіз вольт - амперної характеристики р-n-переходу дозволяє розглядати його як нелінійний елемент, опір якого змінюється в залежності від величини і полярності прикладеної напруги (рисунок 17,б). При збільшенні прямої напруги опір р-n-переходу зменшується. Зі зміною полярності і збільшується прикладеної напруги опір р-n-переходу різко зростає. Отже, пряма (лінійна) залежність між напругою і струмом (закон Ома) для р - п переходів не дотримується. Нелінійні властивості р-n-переходів лежать в основі роботи напівпровідникових приладів, що використовуються для випрямлення перемінного струму, перетворення частоти, обмеження амплітуд і т.д.