Материал: Физические основы электроники

Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, т. к. при ее изменении изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе.

1.7.2. Вентильное свойство p–n-перехода

P–n-переход обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным, а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем.

Рассмотрим p–n-переход, к которому подключен внешний источник напряжения U вн с полярностью, указанной на рис. 1.15: « » –

к области p-типа, «–» – к области n-типа. Такое подключение называют

прямым включением p–n-перехода (или прямым смещением p–n-перехо-

да). Тогда напряженность электрического поля внешнего источника Eвн будет направлена навстречу напряженности поля потенциального

барьера E и, следовательно, приведет к снижению результирующей напряженности Eрез:

Это приведет, в свою очередь, к снижению высоты потенциального барьера и увеличению количества основных носителей, диффундирую-

26

щих через границу раздела в соседнюю область, которые образуют так называемый прямой ток p–n-перехода. При этом вследствие уменьшения тормозящего, отталкивающего действия поля потенциального барьера на основные носители, ширина запирающего слоя δ уменьшается (δ δ) и соответственно уменьшается его сопротивление.

По мере увеличения внешнего напряжения прямой ток p–n-перехода возрастает. Основные носители после перехода границы раздела становятся неосновными в противоположной области полупроводника и, углубившись в нее, рекомбинируют с основными носителями этой области, но, пока подключен внешний источник, ток через переход поддерживается непрерывным поступлением электронов из внешней цепи в n-область и уходом их из p-области во внешнюю цепь, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в p-области.

Введение носителей заряда через p–n-переход (при понижении высоты потенциального барьера) в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называют инжекцией носителей заряда.

При протекании прямого тока из дырочной области р в электронную область n инжектируются дырки, а из электронной области в дырочную – электроны.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером; слой, в который происходит инжекция неосновных для него носителей заряда, – базой.

На рис. 1.16 изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая прямому смещению p–n-перехода.

Рис. 1.16. Зонная диаграмма прямого смещения p–n-перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов

27

Если к р–n-переходу подключить внешний источник с противоположной полярностью «–» к области p-типа, «+» – к области n-типа (рис. 1.17), то такое подключение называют обратным включением p–n-перехода (или

обратнымсмещениемp–n-перехода).

Рис. 1.18. Зонная диаграмма обратного смещения p–n-перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов

В данном случае напряженность электрического поля этого источника Eвн будет направлена в ту же сторону, что и напряженность элек-

28

трического поля E потенциального барьера; высота потенциального барьера возрастает, а ток диффузии основных носителей практически становится равным нулю. Из-за усиления тормозящего, отталкивающего действия суммарного электрического поля на основные носители заряда ширина запирающего слоя увеличивается ( δ δ), а его сопротивление резко возрастает.

Теперь через р–n-переход будет протекать очень маленький ток, обусловленный перебросом суммарным электрическим полем на границе раздела неосновных носителей, возникающих под действием различных ионизирующих факторов в основном теплового характера. Процесс переброса неосновных носителей заряда называется экстракцией. Этот ток имеет дрейфовую природу и называется обратным током р–n-перехода.

На рис. 1.18 изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая обратному смещению p–n-перехода.

Выводы

1.p–n-переход образуется на границе p- и n-областей, созданных

в монокристалле полупроводника.

2.В результате диффузии в p–n-переходе возникает электрическое поле потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций основных носителей заряда в соседних областях.

3.При отсутствии внешнего напряжения U вн в p–n-переходе устанавливается динамическое равновесие: диффузионный ток становится равным по величине дрейфовому току, образованному неосновными носителями заряда, в результате чего ток через p–n-переход становится равным нулю.

4.При прямом смещении p–n-перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает относительно большой диффузионный ток.

5.При обратном смещении p–n-перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток уменьшается до нуля и через переход протекает малый по величине дрейфовый ток.

Это говорит о том, что p–n-переход обладает односторонней про-

водимостью. Данное свойство широко используется для выпрямления переменных токов.

Ширина p–n-перехода зависит от концентраций примеси в p- и n-областях, от знака и величины приложенного внешнего напряжения U вн . При увеличении концентрации примесей ширина p–

n-перехода уменьшается, и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширина p–n-перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p–n-перехода увеличивается.

29

1.7.3. Вольт-амперная характеристика р–n-перехода

Вольт-амперная характеристика p–n-перехода – это зависимость тока через p–n-переход от величины приложенного к нему напряжения. Ее рассчитывают, исходя из предположения, что электрическое поле вне обедненного слоя отсутствует, т. е. все напряжение приложено к p–n-переходу. Общий ток через p–n-переход определяется суммой четырех слагаемых:

в n-область.

При этом концентрации неосновных носителей np0 и pn0 зависят от концентрации примесей Nакц и Nдон следующим образом:

np0 Nni2 , pn0 Npi2 ,

акц дон

где ni , pi – собственные концентрации носителей зарядов (без приме-

си) электронов и дырок соответственно.

Скорость диффузии носителей заряда νn, p диф можно допустить близкой к их скорости дрейфа νn, p др в слабом электрическом поле при

небольших отклонениях от условий равновесия. В этом случае для условий равновесия выполняются следующие равенства:

Тогда выражение (1.15) можно записать в виде:

30