Прямое смещение р-n-перехода

Разность потенциалов Δφна границах р-n-перехода можно изменять относительно «контактной» разности потенциалов Δφ₀с помощью внешнего напряжения, подаваемого на клеммы Э и Б полупроводниковой системы.

Если напряжение U приложено так, что Δφ< Δφ₀, оно называется напряжением «прямого смещения» р-n-перехода или прямым напряжением на полупроводниковом диоде. В рассматриваемом здесь случае полярность прямого напряжения должна иметь «плюс» на Э и «минус» на Б.

При прямом смещении р-n-перехода по сравнению с равновесными значениями уменьшаются разность потенциалов Δφ, высота ΔE и ширина l потенциального барьера.

(2)

а также на ∆E_F = q_eU уровень Ферми E_Fn в n-слое смещается «вверх» на зонной диаграмме относительно уровня Ферми E_Fp в р-слое. Неравенство E_Fn>E_Fp означает, что система прямым напряжением U выведена из состояния равновесия при неизменной температуре. Такой процесс «энергетического смещения» при Т = const сохраняет в р-слое и в n-слое равновесное положение валентной зоны ВЗ и зоны проводимости ЗП относительно соответствующего уровня Ферми. На зонной диаграмме ВЗ и ЗП в n-слое вместе с E_Fn смещается «вверх», как это показано на рис. 3.

Рис. 2

Рис. 3

При «прямом смещении» и при Т = const концентрация неосновных носителей – дырок в n-слое P_n и дрейфовый поток ΔP_n дырок из n-слоя практически остаются такими же, как и в состоянии равновесия.

Диффузионный же поток дырок ∆P_p из р-слоя,зависящий от высоты ΔE барьера, существенно возрастает по сравнению с равновесным значением: ΔP_p >> P_р0. В n-слое за счет этого потока появляются «избыточные неосновные носители тока» – дырки. Этот процесс нагнетания из эмиттера в базу неосновных носителей называют инжекцией. На границе р-n-перехода (х=0 на рис. 3) концентрация «избыточных дырок» ΔP₀ = ΔP_p - ΔP_n максимальна. Эти дырки диффундируют в n-слое и по причине рекомбинации с имеющимися в этом слое свободным электронами уменьшают свою концентрацию по закону

(3)

где L ≈ 0,1 мм - «диффузионная длина» дырок в n-слое, при которой ∆P(x=L)< ∆P₀в e = 2,7раз, k = 1,38⋅10^–23 Дж/К.

Рекомбинационное уменьшение свободных электронов в n-слое компенсируется их притоком из внешней цепи под действием источника «прямого» напряжения. Соответственно инжекция дырок из эмиттера в р-слое компенсируется оттоком электронов во внешнюю цепь, что эквивалентно притоку дырок из этой цепи.

Диффузионный дырочный ток на границе (x=0 на рис. 3) р-n-перехода с n-слоем определяется законом диффузии

(4)

где D_p - коэффициент диффузии дырок в n-слое.

Подставляя ∆P(x)из (3) и находя производную, получим при x=0 формулу прямого тока через р -n-переход

(5)

где I_0p =q_e D_pSP_n / L - «тепловой ток» дырок, зависящий от температуры вследствие термогенерации p дырок в n-слое и от ширины запрещенной зоны ΔE_З полупроводника. При Т =300 К для Ge I_0p≈1 мкА , для Si I_0p≈10^–7 мкА. Прямое напряжение смещения, исходя из требования Δφ= Δφ₀ -U>0,ограничивается условием U< Δφ₀. Прямой ток нормируется по допустимой мощности, выделяющейся при нагревании полупроводника, и для диодов средней мощности I_max ≈0,5 А. Так как ширина l p-n-перехода при прямом смещении мала, его сопротивление незначительно.

Примечание: Если р-n-переход симметричный, аналогичным образом рассматриваются электронные потоки в зоне проводимости, инжекция электронов из n-слоя, диффузионный электронный ток, соответствующий формуле (4), но содержащий тепловой ток электронов I_0n. Прямой ток является суммой дырочного и электронного токов.