<<
>>

Лекция 5. Электрические процессы в p-n-переходе при наличии внешнего напряжения

Подключение к p-n-структуре внешнего напряжения (напряжения смещения) приводит к изменению условий переноса заряда через p-n-переход. Существенную роль при этом играет полярность внешнего напряжения, с которой оно прикладывается к p-n-переходу.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики p-n-перехода

Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к p-n-структуре в прямом направлении, т.е. плюсом источника к выводу р-области, а минусом источника — к выводу n-области (рис. 2.2, а). При таком подключении источника создаваемое им электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю в переходе, что приводит к уменьшению результирующего поля в р-п-переходе. Объемный заряд обоих знаков, сосредоточенный в переходе по разные стороны границы раздела, будет определяться не только величиной φ0, обусловливаемой, как было показано, диффузионным движением носителей заряда под действием разности их концентраций в приграничных слоях, но и внешним напряжением Uа. Если пренебречь падением напряжения в слоях р- и n-структуры, то объемному заряду в переходе будет отвечать напряжение φ0 – Uа, меньшее, чем в отсутствие внешнего источника. Следовательно, уменьшится и обусловленный напряжением объемный заряд в p-n-переходе. Величина φ0 – Uа определяет высоту потенциального барьера в p-n-переходе при включении внешнего напряжения в прямом направлении (рис. 2.2, б). Уменьшение объемного заряда (потенциального барьера) проявляется в сужении p-n-перехода, которое происходит в основном за счет n-слоя, как более высокоомного.

Рис. 2.2. Полупроводниковый диод при подключении внешнего напряжения в прямом направлении

Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через границу раздела в соседние области, что приводит к увеличению диффузионного тока через p-n-переход (рис. 2.2, в). Указанное явление называют инжекцией носителей заряда через p-n-переход.

Вместе с тем дрейфовый ток через p-n-переход, создаваемый потоками неосновных носителей заряда, подходящих из приграничныхслоев толщиной L к p-n-переходу, остается без изменения. Разность диффузионного и дрейфового токов определяет результирующий прямой ток через p-n-переход (прямой ток диода). Плотность прямого тока

Ja = Jдиф – Jдр. (2.2)

С повышением приложенного внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается (так как уменьшившийся потенциальный барьер способны преодолеть основные носители заряда, обладающие меньшей энергией), в связи с чем возрастает прямой ток через p-n-переход. Примерный вид прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показан на рис. 2.2, г (ток Iа на рис. 2.2 равен произведению плотности тока Ja через p-n-переход на площадь его сечения S).

В кремниевых диодах величина ф0 выше, чем в германиевых. Одинаковая величина внешнего напряжения Uа здесь создает меньшее относительное снижение потенциального барьера, чем в германиевых диодах, и обусловливает меньший прямой ток при одинаковой площади p-n-перехода. Большая величина φ0 является одной из причин большего падения напряжения ΔUа в кремниевых переходах (0,8—1,2 В) по сравнению с германиевыми переходами (0,3—0,6 В) при протекании тока в прямом направлении.

Таким образом, падение напряжения ΔUa не превышает 1,2 В, что выгодно отличает их от переходов других типов, в частности электровакуумных и газоразрядных (ионных).

Рассмотрим распределение неравновесных концентраций носителей заряда в прилегающих к p-n-переходу слоях (рис. 2.2, в), создаваемых диффузией носителей через смещенный в прямом направлении p-n-переход. Это важно для лучшего уяснения вида прямой ветви вольт-амперной характеристики перехода и представления общей картины протекания тока через переход в цепи с внешним источником.

При прямом смещении p-n-перехода диффузионные составляющие тока существенно превышают дрейфовые составляющие. В связи с этим избыточные концентрации неравновесных носителей заряда в прилегающих к p-n-переходу слоях, создаваемые диффузией носителей через p-n-переход, будут значительно превышать снижение концентрации одноименных (неосновных) носителей заряда, создаваемое вследствие их ухода через p-n-переход за счет дрейфа. Иными словами, граничные концентрации электронов пр(0) и дырок рп(0), а также распределение концентрации пр(х) и рп(х) в прилегающих к переходу слоях (рис. 1.9, б) будут определяться входящими в эти слои в результате диффузии через p-n-переход электронами и дырками.

Граничные концентрации входящих в р-слой электронов пр(0) и в n-слой дырок рп(0) влияют на градиенты концентрации неравновесных носителей заряда на границе с p-n-переходом и тем самым согласно (1.8) определяют соответственно диффузионные составляющие токов Jдиф п и Jдиф р, протекающие через p-n-переход.

Граничные концентрации неосновных носителей заряда связаны с прямым напряжением на p-n-переходе соотношениями

np(0) = np0eUa/ φТ, (2.3)

pn(0) = pn0eUa/φТ, (2.4)

где пр0 — равновесная концентрация электронов в р-слое; рп0 — равновесная концентрация дырок в n-слое.

Экспоненциальный характер зависимости граничных концентраций от приложенного прямого напряжения определяет экспоненциальную зависимость от него диффузионных составляющих, а следовательно, и анодного тока на прямой ветви вольт-амперной характеристики (рис. 2.2, г).

Диффундируя в глубь слоев, неравновесные электроны рекомбинируют с дырками р-слоя, а неравновесные дырки — с электронами n-слоя. В связи с этим концентрации неравновесных носителей заряда уменьшаются по экспоненциальному закону до значений равновесных концентраций (рис. 2.2, в). На расстоянии диффузионных длин Ln и Lp их концентрации уменьшаются в е раз.

В несимметричном p-n-переходе концентрация дырок в р-слое на несколько порядков превышает концентрацию электронов в п-слое (рр >> пп), а для концентраций неосновных носителей заряда характерно обратное соотношение: пр0 > пр(0) и ток через p-n-переход создается в основном диффузией дырок из p-слоя в n-слой (дырочной составляющей диффузионного тока), р-слой, осуществляющий эмиссию дырок через p-n-переход, называют эмиттером. Поскольку основой при получении р-п-структуры диода обычно служит полупроводниковый материал n-типа, n-слой называют базой.

Неравновесная концентрация дырок в близлежащем к р-п-переходу слое базы создает положительный заряд. Его компенсируют вошедшие под действием сил электрического притяжения электроны от отрицательного полюса источника, в связи с чем базовый слой остается электрически нейтральным. Эти электроны увеличивают концентрацию основных носителей заряда в примыкающем к p-n-переходу базовом слое (на рис. 2.2, в не показано). Ее распределение вдоль оси х соответствует распределению вдоль этой оси концентрации неравновесных дырок, вызванной их диффузией через p-n-переход.

Непрерывные диффузия дырок через р-п-переход, и их рекомбинация с электронами в прилегающем слое базы создают непрерывный приток электронов от отрицательного полюса источника, а следовательно, и ток в рассматриваемом участке цепи. Таким образом, в то время как прямой ток в p-n-переходе определяется диффузионным током дырок, ток в основной части базового слоя и внешнем выводе обусловливается дрейфовым током электронов. В примыкающем к p-n-переходу базовом слое прямой ток равен сумме диффузионного тока дырок и дрейфового тока электронов. Уменьшение дырочной диффузионной составляющей тока по мере удаления от границы p-n-перехода объясняется уменьшением градиента концентрации дырок вследствие их рекомбинации с электронами. Описанное явление обычно наблюдается при относительно большой ширине n-слоя в так называемых переходах с толстой базой.

В переходах с тонкой базой, когда ее толщина соизмерима с диффузионной длиной дырок Lp (рис. 2.2, в), большинство дырок успевает в результате диффузии пройти базу без рекомбинации, в связи с чем ток в базе будет преимущественно определяться диффузионным током дырок.

Подобные процессы наблюдаются и в слое эмиттера. Избыточная концентрация электронов, созданная в прилегающей к p-n-переходу области под действием диффузии, компенсируется повышением там концентрации дырок (на рис. 2.2, в не показано). Однако для несимметричного p-n-перехода роль электронной составляющей диффузионного тока в общем токе, протекающем через переход, мала. Ее роль несущественна и в токе, протекающем через эмиттерный слой. Ток через эмиттерный слой обусловливается в основном дрейфовым током дырок ввиду существующей в этом слое напряженности электрического поля от внешнего источника.

<< | >>
Источник: Руденкова В.И.. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ. Лекция. 2006

Еще по теме Лекция 5. Электрические процессы в p-n-переходе при наличии внешнего напряжения:

  1. М. Ю. Лермонтов
  2. Электродинамика Максвелла - Герца - Хевисайда
  3. Теоретические предпосылки
  4. 7.1 Солнце
  5. § 1. Энергия, энергетика и право I. Энергия
  6. § 2. Урок — основная форма организации учебной работыв техникуме
  7. СОДЕРЖАНИЕ
  8. Лекция 4. Электрические процессы в p-n-переходе в отсутствие внешнего напряжения
  9. Лекция 5. Электрические процессы в p-n-переходе при наличии внешнего напряжения
  10. Лекция 12. Структура и устройство биполярных транзисторов. Принцип действия биполярного транзистора и его основные параметры
  11. Лекция 18. Устройство и принцип работы динистора, тиристора, симистора и фототиристора