Прямосмещенный p-n переход

Если к p-области подсоединить положительный полюс внешнего источника напряжения, а к n-области - отрицательный, такое включение p-n перехода получило название прямого смещения p-n перехода.

В этом случае под действием внешнего электрического поля основные носители заряда начнут перемещаться в сторону p-n перехода. На рис. 6 представлены схема включения p-n перехода в прямом направлении и диаграмма распределения потенциала вдоль p-n перехода.

Рис.6

На рис.6 обозначено: Uпр - напряжение внешнего источника, приложенного к p-n переходу в прямом направлении (прямое смещение p-n перехода); Eвн - напряженность внешнего электрического поля;
1 - распределение потенциала вдоль p-n перехода в равновесном состоянии;
2 - распределение потенциала вдоль p-n перехода при прямом смещении;
l_o - ширина p-n перехода в равновесном состоянии; l_пр - ширина p-n перехода при подаче прямого напряжения Uпр.

При подаче внешнего напряжения на p-n переход изменяется его ширина, что видно из потенциальной диаграммы рис.6. При этом ширина прямосмещенного p-n перехода находится из выражения

,

где - ширина p-n перехода в равновесном состоянии.

Из потенциальной диаграммы рис.6 следует, что при прямом смещении высота потенциального барьера снижается и становится равной

.

Это приводит к резкому увеличению тока диффузии через переход:
i_D=i_Dp+i_Dn, так как все больше основных носителей заряда оказывается способными преодолеть меньший потенциальный барьер. В несимметричном p-n переходе ток диффузии создается в основном потоком дырок из p-области в n-область, так как встречный поток электронов мал и им можно пренебречь: (Nа=10¹⁸см^-3)>>(N_Д=10¹⁵см^-3); i_Dp>>i_Dn. При этом в n-области существенно возрастает концентрация избыточных неосновных носителей заряда - дырок, перешедших из p-области. Это образование избыточной концентрации носителей заряда получило название инжекции.

Инжекцией называется процесс нагнетания носителей заряда в полупроводник, для которого они являются неосновными носителями заряда.

Область, инжектирующая носители заряда, называется эмиттером. Эта область сильно легирована примесями и имеет низкое удельное электрическое сопротивление. Область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, называется базой. База меньше легирована примесями и имеет бо¢льшее значение удельного электрического сопротивления.

В области базы инжектированные из эмиттера дырки за счет наличия градиента концентрации распространяются вглубь базы, рекомбинируют с электронами базы, при этом концентрация дырок уменьшается, приближаясь к равновесной.

Закон изменения концентрации дырок в базе описывается функцией

,

где p_n - концентрация дырок в базе; p_nо - равновесная концентрация дырок в базе; L_p - диффузионная длина дырок в базе; Dp - избыточная концентрация дырок на границе базы с p-n переходом. График зависимости концентрации дырок в базе представлен на рис.7. Избыточная концентрация дырок в базе является функцией приложенного прямого напряжения: Dp=f(Uпр). На рис.7 точка А соответствует диффузионной длине дырок в базе.

Отрезок, на котором избыточная концентрация неосновных носителей заряда (дырок) уменьшается в e (2,72…) раз вследствие рекомбинации, называется длиной диффузии (L_p).

Рис.7

Энергетическая диаграмма p-n перехода при прямом смещении приведена на рис.8.

Рис.8

При прямом смещении уровень Ферми полупроводника в
n-области смещается вверх относительно его положения в p-области на величину, равную e×Uпр. Соответственно на эту же величину снижается высота энергетического барьера. При этом дрейфовая составляющая тока
p-n перехода не изменяется, так как условия перехода неосновных носителей заряда через p-n переход остаются теми же, что и в равновесном состоянии, то есть переход неосновных носителей заряда происходит в ускоряющем электрическом поле p-n перехода. Из-за снижения высоты энергетического барьера количество переходов основных носителей заряда в тормозящем электрическом поле p-n перехода будет резко увеличиваться, а, следовательно, возрастает диффузионная составляющая тока перехода.