2.1.3 P-n-перехід під дією зовнішньої напруги

Під дією зовнішньої напруги на різкий р-n-перехід через нього проходить струм, величина якого залежить від полярності підімкнення зовнішнього джерела напруги. Якщо плюс джерела підімкнено до р- області, а мінус - до n –області, то таке вмикання називають прямим. У протилежному разі йдеться про зворотне вмикання р-n-переходу.

 

2.1.3.1 Пряме вмикання р-n-переходу

                Вважатимемо,   що   до   невипрямлювальних    контактів a і в (рисунок 2.4)  прикладено пряму напругу .  Оскільки   опір     р-n-переходу значно перевищує опори нейтральних областей, то зовнішня напруга повністю падає на цьому переході. Результуюча напруженість у р-n-переході зменшується, оскільки зовнішнє електричне поле має напрям, протилежний напряму (рисунок 2.4,а): .

Рисунок 2.4 – Пряме вмикання р-n-переходу

 

               

 

 Унаслідок цього зменшується потенціальний барєр переходу до значення - (рисунок 2.4,в,г), зменшується також гальмувальна дія поля переходу на дифузійний рух основних носіїв, що приводить до зростання дифузійного струму через перехід. Дрейфовий струм  при цьому не зазнає зміни, бо його величина, як це бачимо з формули (2.4), залежить від концентрації неосновних носіїв у нейтральних областях р- та n –кристалів. Ці концентрації, у свою чергу, залежать виключно від концентрації домішок у НП та від температури. Тому зменшення поля р-  n –переходу, яке є прискорювальним для неосновних носіїв, приводить до зниження швидкості дрейфу цих носіїв, а їх концентрація залишається незмінною. Отже, умова термодинамічної рівноваги (2.5) порушується: , тобто виникає результуючий прямий струм через перехід. Величину цього струму визначають дифузійною складовою . Це струм основних носіїв. Унаслідок переважання дифузії над екстракцією біля меж р-n-переходу відбувається накопичення неосновних носіїв, концентрація яких зростає до величин і (рисунок 2.4,б):

;                       (2.9)

                        (2.10)

де - контактна різниця потенціалів;

- прикладена пряма напруга;

і - концентрації неосновних нерівноважних носіїв біля меж переходу.

                Явище підвищення концентрації неосновних носіїв в р- та n- областях під дією зовнішньої прямої напруги називається інжекцією. Область, з якої інжектують носії, є емітером, а область, в якій інжекція здійснюється, називається базою. Унаслідок рекомбінації неосновних носіїв у р- та n- областях створюються градієнти їх концентрації (рисунок 2.4). Концентрації неосновних нерівноважних носіїв змінюються, отже, вздовж координати х за законами

;                        (2.11)

.                                         (2.12)

                З формул (2.11) і  (2.12) можна одержати вираз для  та (2.8), (2.9) на межі між р- та n- провідниками (х=0).

                Інжекція кількісно оцінюється рівнем інжекції , який визначють відношенням прирощення концентрації інжектованих носіїв до рівноважної концентрації основних носіїв

.

                При Б<<1 рівень інжекції вважають низьким. При середньому (=1) та високому (>>1) рівнях інжекції значна частина основних носіїв з метою компенсації зарядів інжектованих неосновних носіїв залишає нейтральні області НП і підходить до меж  р-n-переходу. Внаслідок цього в цих областях виникає створене іонами домішкових атомів електричне поле. При низьких рівнях інжекції , властивих малопотужним напівпровідниковим приладам, що розглядаються нижче, це явище майже відсутнє.

                Під дією градієнта концентрації неосновні нерівноважні носії дифундують углиб НП, порушуючи електронейтральність кристала. Відновлення нейтрального стану НП відбувається за рахунок знаходження носіїв від зовнішнього джерела напруги. Це є причиною проходження струму в зовнішньому колі.

 

2.1.3.2 Зворотне вмикання р-n-переходу

                Під час прикладення до р-n-переходу зворотної напруги  (рисунок 2.12) створюється електричне поле , яке збільшує результуюче поле переходу:

.

Рисунок 2.5 – Зворотне вмикання р-n-переходу

 

Потенціальний барєр переходу здійснюється до величини  (рисунок 2.5,в,г). Це приводить до зменшення дифузійного струму через перехід при незмінному дрейфовому. Термодинамічна рівновага в цьому випадку порушується на користь дрейфової складової:

. Тому через перехід і в зовнішньому буде проходити малий (порівняно з прямим струмом) струм неосновних носіїв. Оскільки процеси екстракції в цьому режимі, спричиняючи дрейф неосновних носіїв, переважають над процесами дифузії, то біля меж р-n-переходу відбувається зникання концентрації неосновних носіїв до певних значень  та  (рисунок 2.5). Ця концентрація збільшується в міру віддалення переходу згідно з законами:

;                     (2.13)

.                     (2.14)