3.1.4. Электронно-дырочный переход при внешнем смещении

При подключении к р-ппереходу внешнего напряженияU_a (называемого внешним смещением) равновесие потоков носителей че­рез переход нарушается и результирующий токI_aчерез переход уже не равен нулю. При подключении кр-ппереходу внешнего на­пряженияU_a все это напряжение оказывается приложенным кр-п переходу, так как в области перехода нет подвижных носителей и сопротивление перехода велико. Равновесные жер-ип-области низкоомны, и для протекания тока через них в соответствии с (1.5) требуется ничтожное падение напряжения на этих областях. Поэтому считают, что все внешнее напряжениеU_aприложеноp-n переходу при любой полярности. В зависимости от полярности внешне­го смещенияU_aразличают обратное и прямое направления, резко различающиеся между собой.

Рис. 3.4

Обратное направление.Если внешнее напряжениеU_aподклю­чить плюсом кп-области, а минусом - кр-области (рис.3.4,а), то поле внешнего источникаE_смв переходе будет совпадать по направлению с внутренним полемE_i,а потенциальный барьер на переходе будет равен сумме внутреннего потенциального барьера₀и внешнего смещения U_a: = ₀ + U_a. ВеличинаU_aможет во много раз превышать величину₀и достигать до нескольких тысяч вольт. Но уже при величинеU_aв несколько_T(₀ = 0,025В) потенци­альный барьер увеличивается настолько, что даже "самые быстрые" дырки и электроны не могут его преодолевать и диффузионный поток дырок и электронов прекращается (исчезает диффузионная составля­ющая I_0диф). Условия же для образования и протекания теплового токаI₀при этом не изменяются, а ток термогенерации несколько увеличивается из-за увеличения шириныh. Зна­чит, через переход будет протекать результирующий ток I_a, в обратном направлении, превышающий немногоI₀:

.

Такое направление внешнего смещения называют обратным или непроводящим, а ток перехода - обратным током I_{а обр}.Величи­наочень мала (измеряется микроамперами и долями микроампе­ра), что позволяет приравнивать к нулю обратный ток перехода (I_{а обр} = 0). Итак, в обратном направлении черезр-п переход протекает ничтожно малый ток при высоком обратном напряжении. По­этому обратно смещенныйр-п переход можно представить разомкну­тыми контактами ключа (ключ отключен), что часто используют на практике.

Ширина р-ппереходаhпри обратном смещении увеличивает­ся по отношению к равновесной ширинеh₀.

Прямое направление. Инжекция носителей.Если внешнее напря­жениеU_aподключить плюсом кр-области, а минусом - кп-об­ласти, как показано на рио.3.4,б, то поле внешнего источникаE_смв переходе (U_aцеликом приложено к р-ппереходу) бу­дет направлено против внутреннего поляE_iперехода (сила элект­рического поля, препятствующая диффузии, будет ослаблена). Потен­циальный барьерна переходе будет уменьшен на величину смеще­ния U_a:

.

Через переход с пониженным потенциальным барьером резко уве­личится диффузионный поток дырок в п-область и электронов вр-область; т.е. резко возрастет диффузионный токI_0дифчерез переход. Ниже будет показано, что ток будет возрастать по экспо­ненте в функции от U_a. Такое направление внешнего смещения на­зываютпрямымили проводящим, а ток перехода - прямым током I_a. Поскольку потенциальный барьер в переходе остается (он будет только понижен), то условия для прохождения теплового токаI₀остаются неизменными, только уменьшается ток термогенерации и прямой ток будет равен разности токов диффузииI_дифи теплового I₀:

.

Прямой ток на несколько порядков превышает обратный ток и может достигать величин от сотен миллиампердосотен и даже тысяч ампер.

Напряжение же прямого смещения всегда меньшевнутреннего потенциального барьера₀. Необходимо хорошо уяснить, что внеш­нее напряжениеU_aтолько понижает потенциальный барьер₀. При этом потенциальный барьер никогдане может быть уменьшен до нуля(согласно теории градиент концентрации носителей в резком перехо­де при отсутствии₀обусловил бы плотность тока около 20 000 А/мс². Поэтому переход разрушился бы еще до исчезнове­ния потенциального барьера). Это означает, что величинаU_aв прямом направлении не превышает нескольких десятых долей вольта ( < 0,5 В -Ge,< 1 В -Si,), что позволяет на практике час­то приравнивать его к нулю, например по сравнению с сотней вольт в обратном направлении. Итак, в прямом направлении черезр-п переход протекает большой ток при очень малом (почти нулевом) напряжении. Поэтому прямосмещенныйр-ппереход можно предста­вить замкнутыми контактами ключа (включен ключ), что часто ис­пользуется на практике.

Дырки, перешедшие через пониженный потенциальный барьер в n-область, увеличивают концентрацию неосновных носителейp_n(сверх равновесной) на границеn-области сp-nпереходом, т.е. имеют место возмущения неосновных носителей. Процесс введения не­основных носителей через пониженный потенциальный барьер называ­ют инжекцией (впрыскиванием), а неравновесные носители, появивши­еся в результате инжекции, именуют инжектированными носителями. Точно также электроны инжектируются изп-области вр-область, где они тоже являются неосновными носителями.

Ширина р-ппереходаhпри прямом смещении уменьшается по сравнению с равновесной ширинойh₀, но это явление не игра­ет существенной роли. В несимметричных переходах, например приp_p >> n_n, область с более высокой концентрацией (p-область) на­зывают эмиттером, а область с меньшей концентрацией - базой.