p-n переход при прямом напряжении

При подключении к p-n переходу внешнего электрического по­ля динамическое равновесие токов нарушается. Поведение перехода зависит при этом от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение приложено навстречу контактной разности по­тенциалов, иначе говоря, «плюс» приложен к p-области, а «минус» — к n-области, то такое включение p-n перехода называют прямым. Внешнее (прямое) напряжение почти полностью падает на p-n переходе, сопротивление которого во много раз выше сопро­тивления p- и n-областей. С увеличением прямого напряжения высо­та потенциального барьера уменьшается: U₁ = U_к – U_пр. Основные носители областей полупроводника, приближаясь к p-n переходу, частично компенсируют объемные пространст­венные заряды, уменьшая тем самым ширину запирающего слоя и его со­противление. В цепи про­текает электрический ток, при этом диффузионная составляющая тока через переход увеличивается, а дрей­фовая — уменьшается.

При |U_к| = |U_пр| толщина p-n пере­хода стремится к нулю и при даль­нейшем увеличении U_пр запирающий слой исчезает. Вследствие этого элек­троны и дырки (основные носители заряда в n- и p-областях) начинают свободно диффундировать в смежные области полупроводника. Увеличение диффузионной составляющей тока через p-n переход при неизменной дрейфовой составляющей приводит к нарушению термодинамического равновесия:

Через переход протекает ток, который называется прямым.

Процесс переноса носителей заряда через прямосмещенный электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией. Часто прямой ток называют током инжекции.

В несимметричном p-n переходе, когда концентрация элек­тронов в n-области во много раз больше концентрации дырок в p-области, диффузионный поток электронов во много раз превыша­ет поток дырок и ими можно пренебречь. В данном случае имеет место односторонняя инжекция электронов. Область, из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются носители, — базой.

Неравновесные неосновные носители зарядов диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Вос­становление электронейтральности происходит за счет поступления носителей заряда от внешнего источника взамен ушедших к p-n пе­реходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Это приводит к появлению электрического тока во внешней цепи — прямого тока.

p-n переход при обратном напряжении

При обратном включении p-n перехода внешнее напряжение приложено знаком «плюс» к n-области, а «минус» — к p-области. Создаваемое им электрическое поле совпадает по направлению с внутренним полем перехода, увеличивая высоту потенциального барьера: U₁ = U_к + U_обр.

Под действием обратного на­пряжения основные носители будут отталкиваться от граничного слоя, и дрейфовать вглубь полупроводника. При этом ширина слоя, обедненного основными носителями, увели­чивается по сравнению с равно­весным состоянием. Сопротив­ление p-n перехода для прохождения тока основных но­сителей увеличивается. Проис­ходит изменение в соотношении токов через p-n переход. Диффу­зионный ток уменьшается и в предельном случае с ростом по­тенциального барьера стремится к нулю. Для неосновных носителей заряда поле в p-n переходе оста­ется ускоряющим, они захваты­ваются им и переносятся через p-n переход. Процесс переноса неосновных носителей заряда че­рез обратносмещённый p-n переход в область полупроводника, где они становятся основными носителями, называется экстракцией.

Дрейфовый ток, создаваемый неосновными носителями, на­зывается тепловым током I_т. Так как концентрация неосновных носителей относительно мала, то и ток, образуемый ими, не мо­жет быть большим. Кроме того, он практически не зависит от напряженности поля в p-n переходе, т.е. является током насыще­ния неосновных носителей. Все неосновные носители, которые подходят к p-n переходу, совершают переход через него под дей­ствием поля независимо от его напряженности. Поэтому ток I_т определяется только концентрацией неосновных носителей и их подвижностью. Концентрация неосновных носителей, а, следова­тельно, и тепловой ток сильно зависят от температуры.

По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии и поэтому результирующий ток p-n перехода равен:

При |U_обр| ≫ U_к током основных носителей заряда можно пренебречь. Поэтому тепловой ток I_т в этом случае называют током насыщения.

Таким образом, p-n переход обладает вентильными свойст­вами, т.е. односторонней проводимостью:

1) при приложении прямого напряжения (прямое смещение) через переход проте­кает электрический ток, значение которого при повышении на­пряжения увеличивается по экспоненциальному закону. Сопро­тивление перехода минимально;

2) при смещении p-n перехода в обратном направлении, его сопротивление возрастает и через переход протекает малый теп­ловой ток.

Обратный ток I_обр возрастает при уменьшении ширины за­прещенной зоны полупроводника, из которой выполнен p-n переход. У германиевых p-n переходов I_обр обычно на два-четыре порядка выше, чем у кремниевых.

Переход металл – полупроводник и его особенности

Для повышения быстродействия в импульсных приборах используются переходы, выполненные на основе контакта ме­талл — полупроводник путем нанесения металла на кремниевую пластинку n-типа. Электроны из полупроводника n-типа перехо­дят в металл, образуя на их границе отрицательный заряд в ме­талле и положительный в полупроводнике. Возникающее при этом электрическое поле препятствует дальнейшему переходу электронов и в области перехода формируется обедненная об­ласть. При подаче на металлический контакт положительного напряжения приток избыточных электронов восстанавливается и через переход протекает прямой ток. При подаче отрицательного потенциала на область металла увеличивается потенциальный барьер перехода металл — полупроводник, ток через переход не про­текает. Такие переходы называют барьерами Шоттки.