3.Р-п-переход при прямом напряжении.

Пусть источник внешнего напряже­ния подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (рис. 2.2, а). Такое напряжение, у которого поляр­ность совпадает с полярностью основ­ных носителей, называется прямым. Дей­ствие прямого напряжения , вызы­вающее прямой ток через переход,поясняется потенциальной диаграммой на рис. 2.2, б.

Электрическое поле, создаваемое в р-п-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами . Результи­рующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе умень­шается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диф­фузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть понижен­ный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит глав­ным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на р-п-переход из п- и р-областей. Если пренебречь паде­нием напряжения на сопротивлении областей п и р, то напряжение на переходе можно считать равным .Для сравнения на рис. 2.2,б штриховой линией повторена потенциальная диа­грамма при отсутствии внешнего напря­жения. Как известно, в этом случае токи равны и компенсируют друг друга.

При прямом напряжении ,и поэтому полный ток черезпереход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю:

Введение носителей заряда через по­ниженный под действием прямого напря­жения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Слово «инжекция» означает «введение, впрыскивание». Область полу­проводникового прибора, из которой ин­жектируются носители, называется эмиттерной областью или эмиттером. А область, в которую инжектируются не­основные для этой области носители заряда, называется базовой областью или базой. Таким образом, если рас­сматривать инжекцию электронов, то п-область является эмиттером, а р-область — базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а базой — п-область.

Обычно концентрация примесей, а следовательно, и основных носителей в п- и р-областях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из об­ласти с более высокой концентрацией основных носителей преобладает. Соот­ветственно этому области и называют «эмиттер» и «база».

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

Поскольку высота барьера при отсутствии внешнего напряжения состав­ляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и существенного уменьшения сопротив­ления запирающего слоя достаточно под­вести к р-п-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 р-п-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 п- и р-области.

Рассмотрим еще характер прямого тока в разных частях цепи (рис. 2.2, а). Электроны из п-области движутся через переход в р-область, а навстречу им из р-области в п-область перемещаются дырки, т. е. через переход протекают два тока: электронный и дырочный. Во внешних проводниках, конечно, движутся только электроны. Они перемещаются в направлении от минуса источника к п-области и компенсируют убыль электро­нов, диффундирующих через переход в р-область. А из р-области электроны уходят по направлению к плюсу источни­ка, и тогда в этой области образуют­ся новые дырки. Такой процесс происхо­дит непрерывно, и, следовательно, не­прерывно протекает прямой ток.

У левого края области 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 , наоборот, увеличивается. Полный прямой ток в любом сечении, ко­нечно, один и тот же:

Это следует из основного закона последовательной электрической цепи: во всех частях такой цепи ток всегда одинаков.

Так как толщина перехода очень мала и он обеднен носителями, то в нем рекомбинирует мало носителей и ток здесь не изменяется. А далее электро­ны, инжектированные в р-область, рекомбинируют с дырками. Поэтому по мере удаления от перехода вправо в р-области ток продолжает уменьшать­ся, а токувеличивается. У правого края р-области ток наименьший, а ток наибольший.

На рисунке 2.3 показано изменение этих токов вдоль оси х для случая, когда ток преобла­дает над током, вследствие того что и подвижность электронов боль­ше подвижности дырок. Конечно, при прямом напряжении кроме диффузион­ного тока есть еще ток дрейфа, вызван­ный движением неосновных носителей. Но если он очень мал, то его можно не принимать во внимание.