Р-n-переход при прямом включении.

 

Прямым называется такое включение р-n-перехода, при котором происходит понижение потенциального барьера и через переход протекает относительно большой ток. Для этого электрическое поле, создаваемое внешним источником д.б. направлено встречно внутреннему полю перехода. Следовательно плюс источника д. б. подключен к р-области, а минус - к n-области (рис.4).

Рис. 4. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении.

рис. 7 Распределение концентраций носителей заряда в p-n переходу

 

Поскольку сопротивление р- и n-областей мало, практически все напряжение источника оказывается приложенным к р-n-переходу. Понижение потенциального барьера приводит к увеличению тока диффузии, а на величину дрейфового тока не влияет. Поэтому через р-n-переход и во внешней цепи будет протекать прямой ток, равный разности токов диффузии и дрейфового:

Iпр=Iдиф-Iдр

При комнатной температуре даже при незначительном понижении потенциального барьера имеет место соотношение Iдиф>>Iдр, и поэтому можно считать Iпр=Iдиф, т.е. прямой ток через р-n-переход - это ток диффузии, образованный основными носителями заряда.

Рис. 5. ВАХ германиевого и кремниевого р-n-переходов при прямом включении

На рис.5 изображены примеры ВАХ Ge-го и Si-го р-n-переходов при прямом включении.

Начальные криволинейные участки характеристик соответствуют наличию потенциального барьера. При дальнейшем повышении прямого напряжения, когда потенциальный барьер оказывается полностью скомпенсированным, зависимость Iпр от Uпр становится близкой к линейной. При этом величина прямого тока определяется объёмным сопротивлением р- и п-областей. Поскольку высота потенциального барьера у германиевого р-п-перехода меньше, чем у кремниевого, криволинейный участок характеристики у германиевого перехода заканчивается при меньшем напряжении, чем у кремниевого, т.е. характеристика германиевого перехода сдвинута влево относительно характеристики кремниевого перехода.

Процесс введения неосновных носителей заряда в данную область полупроводника через пониженный потенциальный барьер из области, где эти носители являются основными, называется инжек­цией.

В n-область из р-области инжектируются дырки, а в р-область из n-области – свободные электроны. В результате инжекции в полупроводнике образуется избыточная (по сравнению с равновесной) концентрация неосновных носителей заряда. Инжектированные неосновные носители заряда, диффундируя в глубь данной области, рекомбинируют с основными носителями этой области. Поэтому избыточная концентрация неосновных носителей заряда по мере увеличения расстояния от перехода уменьшается. Таким образом, инжектированные носители заряда обладают лишь определённым временем жизни τ. Расстояние, на котором избыточная концентрация неосновных носителей заряда уменьшается в е раз, называется диффузионной длиной (е=2,718 – основание натурального логарифма).

Диффузионная длина выражается через коэффициент диффузии и время жизни

При наличии внешнего напряжения U ширина р-n-перехода

где l₀ – равновесная ширина перехода

где N_д и N_а – концентрации донорной и акцепторной примесей

Δφ – контактная разность потенциалов

где ρ_I – удельное сопротивление собственного полупроводника

ρ_p и ρ_n – удельное сопротивление р- и n- областей, b=µ_n/µ_p

При прямом включении U>0 ширина перехода уменьшается. Физически это объясняется тем, что под действием электрического поля источника основные носители заряда в р- и n-областях смещаются в сторону границы раздела областей.