3. Прямое смещение p–n - перехода

Зонная диаграмма прямосмещенного p-n - перехода приведена на рис.3. При прямом смещении к p-n - переходу подключается внешний источник напряжения U, плюсом к области p, минусом к области n. При этом в p-n - переходе возникает дополнительное электрическое поле , частично компенсирующее . Энергия электронов в области n увеличивается, уровень Ферми поднимается, и потенциальный барьер уменьшается до (₀ ‑ U)q, также уменьшается и толщина обедненной области

. (8)

Через p-n - переход протекает большой диффузионный ток, переход открыт для прохода основных носителей. Дрейфовый ток мал. В рассматриваемом случае n_n  p_р, поэтому можно учитывать только диффузионную составляющую электронного тока I_nD.

Электроны, преодолев понизившийся потенциальный барьер, переходят в область базы, где они становятся неосновными носителями. Это биполярная инжекция, т.е. инжекция неосновных носителей, при которой знак инжектированных носителей противоположен знаку проводимости области базы. В базе концентрация электронов n_p(0) = n_pexp(U/_Т) выше равновесной, поэтому на длине диффузии L_n происходят их рекомбинации и концентрация электронов экспоненциально уменьшается до значения n_p в глубине базы.

При увеличении температуры p-n - перехода уменьшается высота потенциального барьера и изменяется распределение носителей заряда по энергиям (электроны, например, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости). Из-за этих двух причин прямой ток через p-n - переход увеличивается с ростом температуры при постоянном напряжении U. Если сравнить плотности прямых токов для p-n - переходов, изготовленных из материалов с разной шириной запрещенной зоны, то при большей ширине запрещенной зоны будет больше высота потенциального барьера и меньше плотность тока при одинаковом U.

4 . Обратное смещение p-n - перехода

Зонная диаграмма обратносмещенного p-n - перехода приведена на рис. 4. При обратном смещении отрицательный полюс источника напряжения U подключается к p - области, а положительный к n - области. Внешнее электрическое поле и внутреннее совпадают по направлению. В этом случае средняя энергия электронов в области n уменьшается, уровень Ферми опускается, потенциальный барьер увеличивается до ( + U)q, а также увеличивается и толщина обедненной области . При этом переход электронов из области n в область p и дырок из области p в область n становится невозможен. Проводимость p-n - перехода близка к нулю. Диффузионные токи основных носителей I_nD = 0 и I_рD = 0. Однако за счет диффузии неосновные носители подходят к краям p-n - перехода и переносятся электрическим полем + через p-n - переход. Происходит экстракция неосновных носителей: электронов n_p из базы в эмиттер и дырок p_n из эмиттера в базу. Обратносмещенный p-n - переход закрыт для основных носителей и открыт для неосновных. Через него течет малый обратный ток I_S = I_nE + I_рE.

За время жизни до p-n - перехода могут продифундировать неосновные носители, возникшие в n - и p - областях на расстоянии, не превышающем соответствующей диффузионной длины. Остальные неосновные носители, не успев дойти до перехода, рекомбинируют в объеме. Это справедливо для разных обратных напряжений на диоде, если толщины прилегающих к переходу областей превышают диффузионные длины неосновных носителей заряда. Поэтому обратный ток начиная с очень малых значений U не зависит от напряжения смещения. Обратный ток через диод называют тепловым током I₀, он равен

, (10)

с учетом и практически полной ионизации примесей при комнатной температуре

. (11)

При увеличении температуры диода плотность теплового тока увеличивается, так как с температурой экспоненциально растет концентрация собственных носителей заряда (1). В диодах на основе материала с большей шириной запрещенной зоны плотность теплового тока должна быть значительно меньше, так как собственная концентрация экспоненциально уменьшается с увеличением ширины запрещенной зоны. Типичные значения плотности тока для германиевых, кремниевых и арсенид-галиевых p-n - переходов составляют: 10^-5, 10^-9 и 10^-11 А/см² соответственно.