Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (аноду), а отрицательным полюсом - к полупроводнику п-типа (катоду) (рис. 2.2,а). Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым U_пр.

Действие прямого напряжения U_пр, вызывающее прямой ток I_np через переход, поясняет потенциальная диаграмма, изображенная на рис. 2.2,б.

Рис. 2.2. Электронно-дырочный переход при прямом на­пряжении

Электрическое поле E_пр, создаваемое в р-п-переходе прямым напряжением, дей­ствует навстречу полю контактной разности потенциалов Е_к. Результирующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшается, т.е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как пониженный барьер может преодолеть большее число носителей. Если пренебречь падением напряжения на сопротивле­нии областей п и р, то напряжение на переходе можно считать равным φ₀ — U_пр.

При прямом напряжении I_диф > I_др, и поэ­тому полный ток через переход, т.е. прямой ток, уже не равен нулю:

I_пр = I_диф - I_др>0 . (2.1)

Если барьер значительно понижен, то I_диф » I_др и можно считать, что I_пр≈ I_диф, т.е. прямой ток в переходе является чисто диффузионным.

В полупроводниковых приборах обычно концентрация примесей, а следова­тельно, и основных носителей в p- и n-областях весьма различна. Поэтому инжекция из области с более высокой концентрацией основных носителей преобладает. Соответственно этой преобладающей инжекции и дают названия эмиттер и база. Например, если n_n » р_р, то инжекция электронов из п-области в р-область значительно превосходит инжекцию дырок в обратном направлении. В данном случае эмиттером считают п-область, а базой — р-область, так как ин­жекцией дырок можно пренебречь.

При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также уменьшается толщина запирающего слоя (d_пр < d) и его сопротивление в прямом направлении R_пр становится малым (единицы — десятки ом).

Поскольку высота барьера φ₀ при отсутствии внешнего напряжения состав­ляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и существенного уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно под­вести к р-n-переходу такое же прямое напряжение (десятые доли вольта). Поэтому большой прямой ток можно получить при очень небольшом прямом напряжении.

Очевидно, что при некотором прямом напряжении можно вообще уничто­жить потенциальный барьер в п-р-переходе. Тогда сопротивление перехода, т.е. запирающего слоя, станет близким к нулю и им можно будет пренебречь. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть только от сопротивления p- и n-областей. Теперь уже этими сопротивлениями пренебрегать нельзя, так как именно они остаются в цепи и определяют силу тока.

У левого края области п электронный ток имеет наибольшее значение. По мере приближения к переходу этот ток уменьшается, так как все большее число электронов рекомбинирует с дырками, движущимися через переход навстречу электронам, а дырочный ток I_p, наоборот, увеличивается. Полный прямой ток I_np в любом сечении, конечно, один и тот же:

I_пр = I_n – I_p = = const , (2.2)

где I_s– обратный ток (насыщения) диода, а φ_т=0,0258В (при Т=300К) – термодинамический потенциал.