3. Вентильное свойство идеального p-n перехода

Для изучения свойств p-n перехода подключим к нему внешний источник напряжения U, как показано на рис. 4.

Рис. 4

Такое включение p-n перехода называется включением в прямом направлении или прямым включением. В этом случае электрическое поле, порождаемое внешним источником напряжения, будет направлено навстречу полю, создаваемому ионами примесей в приграничных зонах p-n перехода. В результате напряженность внутреннего электрического поля p-n перехода уменьшится, обедненная зона станет уже и уменьшится высота потенциального барьера:

.

Уменьшение высоты потенциального барьера приведет к тому, что большее количество основных носителей заряда смогут преодолевать p-n переход, т. е. усилится диффузионной ток. Изменение диффузионного тока в функции напряжения U внешнего источника описывается следующей зависимостью:

,

С учетом (0) можно записать, что

.

На дрейфовый ток изменение высоты потенциального барьера не влияет, поэтому величина тока, протекающего через p-n переход, может быть записана следующим образом:

.

ф2 (0)

Зависимость (0) носит название уравнения Молла-Эберса и играет важную роль в теории полупроводниковых приборов.

В общем случае зависимость тока, текущего через какой-либо прибор, от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) этого прибора. Уравнение Молла-Эберса аналитически описывает ВАХ идеального p-n перехода; возможный график этой зависимости показан на рис. 5.

Рассмотрим положительную ветвь () ВАХ. При увеличении напряжения от нуля наблюдается вначале незначительное, а затем, после превышения высоты потенциального барьера, существенное нарастание протекающего через p-n переход тока. Это явление связано с процессом изменения ширины p-n перехода, который может быть описан следующей зависимостью:

.

ф3 (0)

Очевидно, что при выполнении равенства ширина p-n перехода становится равной нулю, т. е. в приборе отсутствует зона, препятствующая протеканию тока.

Рис. 5

Изменим полярность подключения внешнего источника напряжения к p-n переходу. Данное включение называют обратным. В этом случае внешнее электрическое поле будет складываться с внутренним, создавая дополнительное сопротивление протеканию диффузного тока.

В соответствие с (0) при увеличении внешнего напряжения будет наблюдаться увеличение ширины зоны p-n перехода. Однако и в этом случае через переход будет протекать электрический ток. Величина данного тока также описывается уравнением Молла-Эберса (0), если сменить знак при напряжении U. При достижении обратным напряжением некоторой величины () обратный ток через идеальный p-n переход практически равен току и перестает меняться. Физически ток — дрейфовый. Так как дрейфовый ток определяется движением неосновных носителей, то он связан с собственной концентрацией . Из-за существенной зависимости собственной концентрации полупроводника от температуры, ток также существенно зависит от температуры. Ток часто называют тепловым током перехода.

Ток, протекающий через включенный в обратном направлении p-n переход, существенно (на несколько порядков) меньше тока, текущего через p-n переход, включенный в прямом направлении. Поэтому считается, что p-n переход обладает однонаправленной проводимостью (вентильное свойство) — в случае включения его в прямом направлении он пропускает электрический ток, а при включении в обратном направлении — не пропускает. Это свойство p-n перехода широко используется в разнообразных полупроводниковых приборах.