Электрические процессы в p–n–переходе при наличии внешнего напряжения

 

Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к p–n–структуре в прямом направлении, т.е. плюсом источника к выводу p–области, а минусом источника – к выводу n–области (рис.1.5, а). При таком подключении источника, создаваемое им электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю в переходе, что приводит к уменьшению результирующего поля в p–n–переходе. Объемный заряд обоих знаков, сосредоточенный по разные стороны границы раздела, будет определяться не только величиной j ₀, обусловливаемой, как было показано, диффузионным движением носителей заряда под действием разности их концентраций в приграничных областях, но и внешним напряжением U_a. Если пренебречь падением напряжения в слоях p– и n–структуры, то объемному заряду в переходе будет соответствовать напряжение j ₀ – U_a., меньшее, чем при отсутствии внешнего источника. Следовательно, уменьшится и обусловленный напряжением объемный заряд в p–n–переходе. Величина j ₀ – U_a. Определяет величину потенциального барьера в p–n–переходе при включении внешнего напряжения в прямом направлении (рис. 1.5, б). Уменьшение объемного заряда (потенциального барьера) проявляется в сужении p–n–перехода, которое происходит в основном за счет n–слоя, как более высокоомного.

Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителе заряда под действием диффузии через границу раздела в соседние области, что приводит к увеличению диффузионного тока через p–n–переход (рис. 1.5, 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 приграничных слоев толщиной L к p–n–переходу, остается без изменения. Разность диффузионного и дрейфового тока определяет результирующий прямой ток через p–n–переход (прямой ток диода). Плотность прямого тока:

.

С повышением внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается (так как уменьшается потенциальный барьер, который способны преодолеть основные носители заряда, обладающие меньшей энергией), в связи с чем возрастает прямой ток через p-n-переход.

Рис. 1.5. P-n переход при подключении внешнего напряжения в прямом направлении: а — схема включения; б — потенциальный барьер при прямом напряжении; в — распределение концентраций носителей заряда.

Рассмотрим распределение неравновесных концентраций носителей заряда в прилегающих к p–n–переходу слоях (рис. 1.5, в), создаваемых диффузией носителей через смещенный в прямом направлении p–n–переход. Это важно для лучшего уяснения вида прямой ветви вольт–амперной характеристики диода и представления общей картины протекания тока через диод 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 тока 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 n_p(0) и дырок p_n(0), а также распределение концентрации n_p(x) и p_n(x) в прилегающих к переходу слоях (рис.1.5) будут определяться входящими в эти слои в результате диффузии через p–n–переход электронами и дырками.

В несимметричном p–n–переходе концентрация дырок в p–слое на несколько порядков превышает концентрацию электронов в n–слое (p_p» n_n), а для концентраций неосновных носителей заряда характерно обратное соотношение: n_p0»p_n0. Этим объясняется, что в несимметричном переходе граничная концентрация p_n(0)» n_p(0) и ток через p–n–переход создается в основном диффузией дырок из p–слоя в n–слой (дырочной составляющей диффузионного тока). P–слой, осуществляющий эмиссию дырок через p–n–переход, называют эмиттером. Поскольку основой при получении структуры диода обычно служит полупроводниковый материал n–типа, n–слой называют базой.

Непрерывные диффузии дырок через p–n–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 обуславливается дрейфовым током электронов. В примыкающем к p–n–переходу базовом слое прямой ток равен сумме диффузионного тока электронов. Уменьшение дырочной составляющей тока по мере удаления от границы p–n–перехода объясняется уменьшением градиента концентрации дырок вследствие их рекомбинации с электронами. Описываемое явление обычно наблюдается при относительно большой ширине n–слоя.

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. 1.5, 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 эммитерный слой обуславливается в основном дрейфовым током дырок ввиду существующей в этом слое напряженности электрического поля от внешнего источника.

При подключении к p-n переходу источника внешнего напряжения в обратном направлении (рис. 1.6, а) потенциальный барьер возрастает на величину U_b и становится равным j ₀₊ U_b (рис. 1.6, в). При этом увеличивается объемный заряд в p–n–переходе и его ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через p–n–переход основных носителей заряда, вследствие чего диффузионный ток, создаваемый этими носителями заряда, уменьшается. Дрейфовый же ток, обусловленный концентрациями неосновных носителей заряда по обе стороны перехода (J_др=J_{пр p+} J_{др n}), можно считать неизменными (рис.1.6, в). однако теперь он будет превышать диффузионный ток. Через p-n переход будет протекать ток в обратном направлении:

.

 

Приведенная на рис. 1.6. в диаграмма распределения концентраций соответствует обратным напряжениям, превышающим напряжение в точке 1. Она подтверждает неизменность обратного тока на рассматриваемом участке.

В отсутствие инжекции распределение концентраций носителей заряда в прилегающих к p–n–переходу слоях характеризуется уменьшением концентраций неосновных носителей вследствие их ухода через p–n–переход. На границе p–n–перехода для неосновных носителей заряда действует поле p–n–перехода, вследствие чего концентрация там равна нулю. Поскольку в прилегающих к p–n–переходу слоях полупроводник должен оставаться электрически нейтральным. Уменьшение в них концентрации неосновных носителей заряда вызывает аналогичное уменьшение концентрации основных носителей заряда. Однако ввиду существенно большей концентрации носителей заряда это снижение слабо отражается на их значениях (на рис. 1.6, в не показано).

Составляющие дрейфового тока (J_{др n} и J_{др n}) создаются неосновными носителями заряда (дырками и электронами), диффундирующими к границам p–n–перехода из прилегающих к ним слоев. Они определяют по градиентам концентрации неосновных носителей заряда на границах p–n–перехода, т.е. из условия их диффузии в направлении перехода, и не зависят от приложенного напряжения U_b.

Рис. 1.6. P-n переход при подключении внешнего напряжения в обратном направлении: а — схема включения; б — потенциальный барьер при обратом напряжении; в — распределение концентраций носителей заряда: г — обратная ветвь вольт–амперной характеристики

Обратный ток, создаваемый неосновными носителями заряда зависит от их концентрации в p– и n–слоях, а также от рабочей поверхности p–n–перехода. Этим объясняется тот факт, что в мощных диодах, имеющих большую площадь p–n–перехода, обратный ток больше чем в маломощных. Поскольку концентрация неосновных носителе заряда является функцией от температуры кристалла, обратный ток диода также зависит от температуры. По этой причине обратный ток иногда называют тепловым. Увеличение обратного тока с ростом температуры подчиняется примерно экспоненциальному закону.

Как известно, концентрация неосновных носителей заряда уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны на энергетической диаграмме полупроводника.

 

 

__________________________                         _______________________________

Подпись студента                                                                      Расшифровка подписи

 

 

_________________________________

Экзаменационная оценка

 

 

__________________________                         _______________________________

Подпись экзаменатора                                                    Расшифровка подписи

 

⇐ Предыдущая12345

Поделиться: