16 Анализ p–n перехода, физика работы диода.

П оскольку концентрация дырок в p-области гораздо выше их концентрации в n-области, то дырки из p-области диффундируют в n-область. Однако, как только дырки попадают в n-область, они начинают рекомбинировать с электронами, основными носителями зарядов в n-области, и их концентрация по мере углубления быстро убывает. Аналогично электроны из n-области диффундируют в p-область. Таким образом, в p-n-переходе возникает ток диффузии I_диф = I_{р диф} + I_{n диф}, направление которого совпадает с направлением диффузии дырок. Если бы дырки и электроны являлись нейтральными частицами, то их взаимная диффузия привела бы к полному выравниванию концентрации дырок и электронов по всему объему кристалла, и p-n-переход, как таковой, отсутствовал бы. Встречная диффузия подвижных носителей заряда приводит к появлению в n-области нескомпенсированных положительных зарядов ионов донорной примеси, а в p-области - отрицательных зарядов ионов акцепторной примеси, связанных с кристаллической решеткой полупроводника. Так как электрическое поле неподвижных зарядов p-n-перехода при термодинамическом равновесном состоянии препятствует диффузии основных носителей заряда в соседнюю область, то считают, что между p- и n-областями устанавливается потенциальный барьер φ_о этот барьер препятствует движению основных носителей заряда через него. Неравновесным состоянием p-n-перехода называют состояние, когда токи диффузии и дрейфа через переход неуравновешенны. Оно возникает, если к переходу приложить внешнее напряжение, которое понизит или повысит потенциальный барьер по сравнению с его величиной φ₀ в равновесном состоянии. Если к p-n-переходу приложить внешнее поле, то равновесное состояние нарушится. Считается, что p-n-переход включен в прямом направлении, когда внешнее напряжение U приложено плюсом к p-области, а минусом к n-области. Напряжение U почти полностью будет падать на p-n-переходе, сопротивление которого во много раз выше сопротивлений областей полупроводников p- и n-типа. В переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле Е, не совпадающее с направлением поля Е₀ перехода, что приведет к уменьшению суммарной напряженности электрического поля перехода, а это в свою очередь вызовет уменьшение ширины запирающего слоя. Уменьшение высоты потенциального барьера вызывает рост диффузионных токов основных носителей и некоторое снижение дрейфовых (тепловых) токов неосновных носителей. Считается, что p-n-переход включен в обратном направлении, когда внешнее напряжение U приложено плюсом к n-области, минусом к p-области. При этом электрическое поле, создаваемое внешним источником, совпадает с внутренним полем p-n-перехода. В этом случае поля складываются и потенциальный барьер между p- и n-областями возрастает. При обратном смещении по мере его увеличения остается все меньше подвижных носителей, способных преодолеть возросший потенциальный барьер, поэтому диффузный ток как электронов и дырок, так и полный ток через переход стремится к нулю. в этом случае тепловой ток, вызванный движением неосновных носителей заряда, остается постоянным, а диффузный ток основных носителей уменьшается по экспоненциальному закону.