3.1.4. Электронно-дырочный переход при внешнем смещении

При подключении к р-п переходу внешнего напряжения U_a (называемого внешним смещением) равновесие потоков носителей че­рез переход нарушается и результирующий ток I_a через переход уже не равен нулю. При подключении к р-п переходу внешнего на­пряжения U_a все это напряжение оказывается приложенным к р-п переходу, так как в области перехода нет подвижных носителей и сопротивление перехода велико. Равновесные же р- и п-области низкоомны, и для протекания тока через них в соответствии с (1.5) требуется ничтожное падение напряжения на этих областях. Поэтому считают, что все внешнее напряжение U_a приложено p-n переходу при любой полярности. В зависимости от полярности внешне­го смещения U_a различают обратное и прямое направления, резко различающиеся между собой.

Рис. 3.4

Обратное направление. Если внешнее напряжение U_a подклю­чить плюсом к п-области, а минусом - к р-области (рис.3.4, а), то поле внешнего источника E_см в переходе будет совпадать по направлению с внутренним полем E_i, а потенциальный барьер  на переходе будет равен сумме внутреннего потенциального барьера ₀ и внешнего смещения U_a:  = ₀ + U_a. Величина U_a может во много раз превышать величину ₀ и достигать до нескольких тысяч вольт. Но уже при величине U_a в несколько _T (₀ = 0,025В) потенци­альный барьер увеличивается настолько, что даже "самые быстрые" дырки и электроны не могут его преодолевать и диффузионный поток дырок и электронов прекращается (исчезает диффузионная составля­ющая I_0диф). Условия же для образования и протекания теплового тока I₀ при этом не изменяются, а ток термогенерации несколько увеличивается из-за увеличения ширины h. Зна­чит, через переход будет протекать результирующий ток I_a, в обратном направлении, превышающий немного I₀:

.

Такое направление внешнего смещения называют обратным или непроводящим, а ток перехода - обратным током I_{а обр}. Величи­на очень мала (измеряется микроамперами и долями микроампе­ра), что позволяет приравнивать к нулю обратный ток перехода (I_{а обр} = 0). Итак, в обратном направлении через р-п переход протекает ничтожно малый ток при высоком обратном напряжении. По­этому обратно смещенный р-п переход можно представить разомкну­тыми контактами ключа (ключ отключен), что часто используют на практике.

Ширина р-п перехода h при обратном смещении увеличивает­ся по отношению к равновесной ширине h₀.

Прямое направление. Инжекция носителей. Если внешнее напря­жение U_a подключить плюсом к р-области, а минусом - к п-об­ласти, как показано на рио.3.4, б, то поле внешнего источника E_см в переходе (U_a целиком приложено к р-п переходу) бу­дет направлено против внутреннего поля E_i перехода (сила элект­рического поля, препятствующая диффузии, будет ослаблена). Потен­циальный барьер  на переходе будет уменьшен на величину смеще­ния U_a:

.

Через переход с пониженным потенциальным барьером резко уве­личится диффузионный поток дырок в п-область и электронов в р-область; т.е. резко возрастет диффузионный ток I_0диф через переход. Ниже будет показано, что ток будет возрастать по экспо­ненте в функции от U_a. Такое направление внешнего смещения на­зывают прямым или проводящим, а ток перехода - прямым током I_a. Поскольку потенциальный барьер в переходе остается (он будет только понижен), то условия для прохождения теплового тока I₀ остаются неизменными, только уменьшается ток термогенерации и прямой ток будет равен разности токов диффузии I_диф и теплового I₀:

.

Прямой ток на несколько порядков превышает обратный ток и может достигать величин от сотен миллиампер до сотен и даже тысяч ампер.

Напряжение же прямого смещения всегда меньше внутреннего потенциального барьера ₀. Необходимо хорошо уяснить, что внеш­нее напряжение U_a только понижает потенциальный барьер ₀. При этом потенциальный барьер никогда не может быть уменьшен до нуля (согласно теории градиент концентрации носителей в резком перехо­де при отсутствии ₀ обусловил бы плотность тока около 20 000 А/мс². Поэтому переход разрушился бы еще до исчезнове­ния потенциального барьера). Это означает, что величина U_a в прямом направлении не превышает нескольких десятых долей вольта ( < 0,5 В - Ge, < 1 В - Si, ), что позволяет на практике час­то приравнивать его к нулю, например по сравнению с сотней вольт в обратном направлении. Итак, в прямом направлении через р-п переход протекает большой ток при очень малом (почти нулевом) напряжении. Поэтому прямосмещенный р-п переход можно предста­вить замкнутыми контактами ключа (включен ключ), что часто ис­пользуется на практике.

Дырки, перешедшие через пониженный потенциальный барьер в n-область, увеличивают концентрацию неосновных носителей p_n (сверх равновесной) на границе n-области с p-n переходом, т.е. имеют место возмущения неосновных носителей. Процесс введения не­основных носителей через пониженный потенциальный барьер называ­ют инжекцией (впрыскиванием), а неравновесные носители, появивши­еся в результате инжекции, именуют инжектированными носителями. Точно также электроны инжектируются из п-области в р-область, где они тоже являются неосновными носителями.

Ширина р-п перехода h при прямом смещении уменьшается по сравнению с равновесной шириной h₀, но это явление не игра­ет существенной роли. В несимметричных переходах, например при p_p >> n_n, область с более высокой концентрацией (p-область) на­зывают эмиттером, а область с меньшей концентрацией - базой.