P-n-переход под воздействием внешнего напряжения

Если к p-n-переходу подключить внешнее напряжение таким образом, что "+" батареи приложен к области полупроводника n-типа, а "-" – к области полупроводника p-типа, то это приведет к возникновению в запирающем слое электрического поля напряженностью , направление которого совпадает с направлением поля . Такое включение называется обратным, а p-n-переход в этом случае – закрытым (рис. 2, а). Под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки как основные носители заряда смещаются от p-n-перехода в разные стороны.

Рис. 2. Электронно-дырочный переход под воздействием внешнего напряжения: а – к p-n-переходу приложено обратное напряжение; б – к p-n-переходу приложено прямое напряжение

 

Обедненный слой расширяется, толщина перехода увеличивается, сопротивление p-n-перехода резко возрастает, высота потенциального барьера также возрастает.

Увеличение потенциального барьера нарушает состояние динамического равновесия, диффузионный ток резко уменьшается. Дрейфовый ток при этом не изменяется, так как концентрация неосновных носителей заряда определяется лишь процессом термогенерации, а не уровнем напряжения.

Таким образом, при обратном включении через p-n-переход проходит малый ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, – обратный ток . Ток называют тепловым током или током насыщения, так как неосновные носители образуются в результате процесса термогенерации.

Если поменять полярность источника внешнего напряжения, то электроны и дырки как основные носители заряда будут двигаться навстречу друг другу. Такое включение называется прямым, а p-n-переход в этом случае – открытым (рис. 2, б). В результате встречного движения основных носителей в зоне p-n-перехода происходит их накопление, толщина перехода уменьшается, сопротивление p-n-перехода снижается, потенциальный барьер также снижается. При этом возникает сравнительно большой электрический ток, обусловленный движением основных носителей заряда, – прямой ток . Это будет диффузионный ток; дрейфовый ток при этом, опять же, не изменяется. Понятно, что .

Концентрация примеси, а значит и концентрация основных носителей, в одной из областей (обычно в полупроводнике p-типа) на 2-3 порядка превышает концентрацию примеси в другой области (>на рис. 1, в). Это достигается в процессе технологической обработки кристалла. Область с высокой концентрацией примеси называется эмиттером, область с низкой концентрацией примеси (обычно n-область) – базой. Следовательно, доминирующей составляющей прямого тока будет та, которая определяется носителями заряда высоколегированной области.

Таким образом, при обратном включении p-n-перехода его сопротивление велико и через него протекает малый обратный ток; при прямом включении p-n-перехода его сопротивление незначительно и через него протекает большой прямой ток, значительно превышающий по величине обратный. Значит, p-n-переход обладает свойством односторонней проводимости или вентильности, что позволяет использовать его в целях выпрямления переменного тока.

Наряду с выпрямительным свойством p-n-переход обладает электрической емкостью, которая состоит из барьерной и диффузионной емкостей.

Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси и определяется отношением изменения объемного заряда обедненного слоя к изменению напряжения при обратном включении p-n-перехода . С увеличением обратного напряжения ширина p-n-перехода возрастает и барьерная емкость уменьшается. Зависимость барьерной емкости p-n-перехода от обратного напряжения используется в варикапах – полупроводниковых диодах, предназначенных для применения в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Диффузионная емкость обусловлена диффузией подвижных носителей заряда через p-n-переход при прямом включении.

Таким образом, при обратном напряжении емкость p-n-перехода определяется барьерной емкостью, а при прямом – диффузионной.