1.3.3 Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Пусть источник внешнего напряже­ния подключен положительным полюсом к области n, а отрицательным – к об­ласти р (рисунок 1.19, а). Под действием такого обратного напряжения u_обр через переход протекает очень небольшой обратный ток i_o6p. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. На рисунке 1.19, а это показывают одина­ковые направления векторов Е_к и Е_обр. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна u_к + u_обр (рисунок 1.19, б). Диффу­зионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т.е. i_диф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоле­ния барьера. Ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадаю­щих на n-p-переход из n- и р-областей. Выведение неосновных носителей через n – р-переход ускоряющим электри­ческим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией но­сителей заряда (cлово «экстракция» озна­чает «выдергивание, извлечение»).

Таким образом, обратный ток i_обр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Действительно, при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев в глубь n- и р-областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (d_обр>d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно воз­растает, т. е. R_обр >> R_пр.

Рисунок 1.19 – Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным. Это объясняется тем, что число неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает и обратный ток увеличивается, а обрат­ное сопротивление уменьшается.

Рассмотрим подробнее, как устанавливается обратный ток при включении обратного напряжения. Сначала возни­кает переходный процесс, связанный с движением основных носителей. Элект­роны в n-области движутся по направ­лению к положительному полюсу источ­ника, т. е. удаляются от n–р-перехода. А в р-области, удаляясь от n–р-перехо­да, движутся дырки. У отрицательного электрода они рекомбинируют с электро­нами, которые приходят из проводни­ка, соединяющего этот электрод с от­рицательным полюсом источника.

Поскольку из n-области уходят элект­роны, она заряжается положительно, так как в ней остаются положительно заряженные атомы донорной примеси. Подобно этому р-область заряжается отрицательно, так как ее дырки запол­няются приходящими электронами и в ней остаются отрицательно заряженные атомы акцепторной примеси.

Рассмотренное движение основных носителей в противоположные стороны продолжается лишь малый промежуток времени. Такой кратковременный ток подобен зарядному току конденсатора. По обе стороны n-р-перехода возни­кают два разноименных объемных заря­да, и вся система становится аналогич­ной заряженному конденсатору с баръерной емкостью С_б и ди­электриком, в котором имеется значи­тельный ток утечки (его роль играет обратный ток). Но ток утечки конден­сатора в соответствии с законом Ома пропорционален приложенному напря­жению, а обратный ток п-р-перехода сравнительно мало зависит от напря­жения.

Пример 1.5. Приведите условное изображение p-n перехода с подключением к нему источника питания при условии, что перемещаются по полупроводниковой структуре слева направо основные положительные носители заряда. Обозначьте на рисунке тип проводимости общих областей (p или n) и полярность источника питания, соответствующую заданному перемещению носителей заряда. Отметьте, в каком направлении включен p-n переход (в прямом или обратном).

Решение. Условное изображение p-n перехода с подключенным к нему источником напряжения при условии, что перемещается слева направо основные положительные носители заряда (+о.н.) показано на рисунке 1.20.

Рисунок 1.20 – Условное изображение p-n перехода с подключенным к нему источником прямого напряжения

Так как основными положительными носителями заряда являются дырки в p области (в полупроводнике p-типа), то слева обозначается область p, а справа – область n. Такое перемещение носителей возможно только при прямом напряжении, когда «+» источника питания подключен к p-области, а «-» подключен к n области.

Пример 1.6. Приведите условное изображение p-n перехода с подключением к нему источника питания при условии, что перемещаются по полупроводниковой структуре справа налево неосновные положительные носители заряда. Обозначьте на рисунке тип проводимости общих областей (p или n) и полярность источника питания, соответствующую заданному перемещению носителей заряда. Отметьте, в каком направлении включен p-n переход (в прямом или обратном).

Решение. Условное изображение p-n перехода с подключенным к нему источником напряжения при условии, что перемещается справа налево неосновные положительные носители заряда (+н.н.) показано на рисунке 1.21.

Рисунок 1.21 – Условное изображение p-n перехода с подключенным к нему источником обратного напряжения

Так как неосновными положительными носителями заряда являются дырки в n области (в полупроводнике n-типа), то справа обозначается область n, а слева – область p. Такое перемещение носителей возможно только при обратном напряжении, когда «+» источника питания подключен к n-области, а «-» подключен к p области.