1.3.2 Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

Пусть источник внешнего напряже­ния подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа, а отрицательным – к полупроводнику n-типа (рисунок 1.17, а). Такое напряжение, у которого поляр­ность совпадает с полярностью основ­ных носителей, называется прямым.

Рисунок 1.17 – Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

Электрическое поле, создаваемое в n– р-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами Е_к и E_пр. 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 n–р-переход из n- и р-областей. Если пренебречь паде­нием напряжения на сопротивлении областей n и р, то напряжение на переходе можно считать равным u_к – u_пр. Для сравнения на рисунке 1.17,б штриховой линией повторена потенциальная диа­грамма при отсутствии внешнего напря­жения.

При прямом напряжении i_диф > i_др и поэтому полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю:

i_пр = i_диф – i_др >0 . (1.22)

Если барьер значительно понижен, то i_диф >> i_др и можно считать, что i_пр  i_диф, т.е. прямой ток в переходе является чисто диффузионным.

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 n-область является эмиттером, а р-область – базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а базой – n-область.

Обычно концентрация примесей, а, следовательно, и основных носителей в n- и р-областях весьма различна. Например, если n_n>>p_p, то инжекция электронов из n-области в р-область значительно пре­восходит инжекцию дырок в обратном направлении. В данном случае эмиттером считают n-область, а базой – р-область, так как инжекцией дырок можно пре­небречь.

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 u_к при отсутствии внешнего напряжения состав­ляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и существенного уменьшения сопротив­ления запирающего слоя достаточно под­вести к n – р-переходу такое же прямое напряжение (десятые доли вольта). По­этому большой прямой ток можно полу­чить при очень небольшом прямом напряжении.

Очевидно, что при прямом напряжении можно вообще уничтожить потенциальный барьер в n-р-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 n- и р-области. Этими сопротив­лениями пренебрегать нельзя, так как именно они остаются в цепи и опреде­ляют силу тока.

Пример 1.4. Пусть в некотором p-n переходе при прямом напряжении, близком к нулю, сопротивление слоя Ом, а сопротивления p и n - областей Ом. Определить полное сопротивление общей полупроводниковой структуры при прямом напряжении, близком к нулю, и при прямом напряжении равном десятые доли вольта.

Решение. При прямом напряжении близком к нулю сопротивление общей полупроводниковой структуры равно:

Ом,

т.е примерно равно сопротивлению самого p-n перехода.

При прямом напряжении, равном десятые доли вольта, потенциальный барьер практически исчезает и . Пусть Ом, тогда общее сопротивление Ом и практически равно суммарному сопротивлению p и n –областей.

Рассмотрим еще характер прямого тока в разных частях цепи (рисунок 1.17,а). Электроны из n-области движутся через переход в р-область, а навстречу им из p-области в n-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 n-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 n 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 i_p наоборот, увеличивается. Полный прямой ток i_np в любом сечении, ко­нечно, один и тот же:

(1.23)

i_np = i_n + i_p = const.

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 i_n продолжает уменьшать­ся, а ток i_p увеличивается. У правого края р-области ток i_n наименьший, а ток i_р наибольший.

На рисунке 1.18 пока­зано изменение этих токов вдоль оси х для случая, когда ток i_n преобла­дает над током i_р, вследствие того что и n_n > р_n 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.

Следует отметить, что при прямом напряжении происходит накопление подвижных носителей заряда в n и p-областях, т.е из-за инерционности процесса рекомбинации возникает диффузионная емкость С_диф.

Рисунок 1.18 – Распределение электронного и дырочного тока в n–p-переходе