3. Выпрямляющие свойства p-n перехода

Контакт двух полупроводников с разным типом проводимости обладает выпрямляющим действием. Это означает, что сопротивление такого контакта зависит от направления тока: в одном направлении оно велико, в другом – мало. Рассмотрим выпрямляющее действие p-n перехода. Приведем в плотный контакт два материала с дырочной и электронной проводимостью (рис.15.3). Различие в концентрациях однотипных носителей заряда приведет к возникновению диффузионного потока электронов из n-области в p-область, а дырок из p-области в n. При этом приконтактная область дырочного полупроводника будет заряжаться отрицательно, а электронного – положительно. Возникает двойной электрический слой разделенных зарядов, которому будет соответствовать внутреннее контактное электрическое поле, направленное от плюса к минусу. Иными словами, на границе p и n областей возникает внутренняя контактная разность потенциалов U_K, затрудняющая процессы перехода основных носителей заряда.

Рис.15.3. Образование контактной разности потенциалов

Подадим на p-n переход внешнее напряжение. Если положительный потенциал приходится на p-область, а отрицательный на n- область (рис.15.4), то такое включение называется прямым и ему соответствует протекание большого тока через p-n переход.

Рис.15.4. P-n переход при прямом смещении

Это обусловлено тем, что внешнее электрическое поле будет ослаблять действие внутреннего электрического поля. Величина потенциального барьера для основных носителей заряда по обе стороны от p-n перехода понизится, уменьшится ширина двойного электрического слоя, и, увлекаемые внешним электрическим полем, электроны n-области и дырки p-области будут двигаться через границу через невысокий потенциальный барьер. Таким образом, протекание большого прямого тока обусловлено движением основных носителей заряда.

Если сменить направление внешнего электрического поля, подавая положительный потенциал на n-область, а отрицательный на p (рис.15.5), то такое смещение называется обратным и характеризуется протеканием малых токов.

Рис.15.5. Обратное включение p-n перехода

С физической точки зрения это связано с тем, что внешнее электрическое поле будет усиливать внутреннее контактное и барьер для основных носителей заряда еще больше увеличится. Основные носители заряда не могут проникать через границу и участвовать в образовании тока. Однако надо вспомнить, что в каждой области есть небольшое количество неосновных носителей заряда. Для них данная ситуация оказывается благоприятной и, увлекаемые внешним полем и не имея потенциального барьера на границе, они создают небольшой по величине электрический ток. Таким образом, протекание обратного тока через p-n переход обусловлено движением неосновных носителей заряда.

Зависимость силы тока I от внешнего напряжения U, называемая вольтамперной характеристикой (ВАХ), для p-n перехода описывается уравнением:

(15.3)

где знак «+» относится к прямому направлению, знак «-» - к обратному. При прямых смещениях зависимость имеет экспоненциальный характер, поскольку уже при небольших напряжениях единицей в квадратных скобках можно пренебречь. При больших обратных смещениях ток выходит на постоянный уровень, называемый током насыщения I_S.

Вольтамперная характеристика реальных промышленных полупроводниковых диодов изображена на рис.15.6 и имеет небольшие отличия от зависимости, описываемой ф.(15.3).

Рис.15.6. ВАХ полупроводникового диода

Эти отличия относятся к области прямых смещений, когда начальный экспоненциальный участок переходит в строгую линейную зависимость. Линейная зависимость обусловлена тем, что при больших прямых смещениях потенциальный барьер для основных носителей полностью исчезает и величину протекающего тока уже определяет электрическое сопротивление p- и n- областей, называемых базовой областью. Сопротивление базовой области R_Б определяется по тангенсу угла наклона линейного участка ВАХ:

(15.4)

По этому же участку графика можно определить величину U_K. Если экстраполировать линейный участок до пересечения с осью напряжений (рис. 15.6), то эта точка будет соответствовать величине контактной разности потенциалов p-n перехода. Студенту предлагается самостоятельно доказать это положение.

Выпрямительные свойства диода определяются коэффициентом выпрямления K, который равен отношению прямого тока к обратному при одинаковой величине смещения.