Прямая ветвь вольт-амперной характеристики p-n-перехода

Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к p-n-структуре в прямом направлении, т.е. плюсом источника к выводу р-области, а минусом источника — к выводу n-области (рис. 2.2, а). При таком подключении источника создаваемое им электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю в переходе, что приводит к уменьшению результирующего поля в р-п-переходе. Объемный заряд обоих знаков, сосредоточенный в переходе по разные стороны границы раздела, будет определяться не только величиной φ₀, обусловливаемой, как было показано, диффузионным движением носителей заряда под действием разности их концентраций в приграничных слоях, но и внешним напряжением U_а. Если пренебречь падением напряжения в слоях р- и n-структуры, то объемному заряду в переходе будет отвечать напряжение φ₀ – U_а, меньшее, чем в отсутствие внешнего источника. Следовательно, уменьшится и обусловленный напряжением объемный заряд в p-n-переходе. Величина φ₀ – U_а определяет высоту потенциального барьера в p-n-переходе при включении внешнего напряжения в прямом направлении (рис. 2.2, б). Уменьшение объемного заряда (потенциального барьера) проявляется в сужении p-n-перехода, которое происходит в основном за счет n-слоя, как более высокоомного.

Рис. 2.2. Полупроводниковый диод
при подключении внешнего напряжения в прямом направлении

Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через границу раздела в соседние области, что приводит к увеличению диффузионного тока через p-n-переход (рис. 2.2, в). Указанное явление называют инжекцией носителей заряда через p-n-переход.

Вместе с тем дрейфовый ток через p-n-переход, создаваемый потоками неосновных носителей заряда, подходящих из приграничныхслоев толщиной L к p-n-переходу, остается без изменения. Разность диффузионного и дрейфового токов определяет результирующий прямой ток через p-n-переход (прямой ток диода). Плотность прямого тока

J_a = J_диф – J_др. (2.2)

С повышением приложенного внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается (так как уменьшившийся потенциальный барьер способны преодолеть основные носители заряда, обладающие меньшей энергией), в связи с чем возрастает прямой ток через p-n-переход. Примерный вид прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показан на рис. 2.2, г (ток I_а на рис. 2.2 равен произведению плотности тока J_aчерез p-n-переход на площадь его сечения S).

В кремниевых диодах величина ф₀выше, чем в германиевых. Одинаковая величина внешнего напряжения U_аздесь создает меньшее относительное снижение потенциального барьера, чем в германиевых диодах, и обусловливает меньший прямой ток при одинаковой площади p-n-перехода. Большая величина φ₀ является одной из причин большего падения напряжения ΔU_а в кремниевых переходах (0,8—1,2 В) по сравнению с германиевыми переходами (0,3—0,6 В) при протекании тока в прямом направлении. Таким образом, падение напряжения ΔU_aне превышает 1,2 В, что выгодно отличает их от переходов других типов, в частности электровакуумных и газоразрядных (ионных).

Рассмотрим распределение неравновесных концентраций носителей заряда в прилегающих к p-n-переходу слоях (рис. 2.2, в), создаваемых диффузией носителей через смещенный в прямом направлении p-n-переход. Это важно для лучшего уяснения вида прямой ветви вольт-амперной характеристики перехода и представления общей картины протекания тока через переход в цепи с внешним источником.

При прямом смещении p-n-перехода диффузионные составляющие тока существенно превышают дрейфовые составляющие. В связи с этим избыточные концентрации неравновесных носителей заряда в прилегающих к p-n-переходу слоях, создаваемые диффузией носителей через p-n-переход, будут значительно превышать снижение концентрации одноименных (неосновных) носителей заряда, создаваемое вследствие их ухода через p-n-переход за счет дрейфа. Иными словами, граничные концентрации электронов п_р(0)и дырок р_п(0), а также распределение концентрации п_р(х)и р_п(х)в прилегающих к переходу слоях (рис. 1.9, б) будут определяться входящими в эти слои в результате диффузии через p-n-переход электронами и дырками.

Граничные концентрации входящих в р-слой электронов п_р(0)и в n-слой дырок р_п(0)влияют на градиенты концентрации неравновесных носителей заряда на границе с p-n-переходом и тем самым согласно (1.8) определяют соответственно диффузионные составляющие токов J_{диф п} и J_{диф р}, протекающие через p-n-переход.

Граничные концентрации неосновных носителей заряда связаны с прямым напряжением на p-n-переходе соотношениями

n_p(0) = n_p₀e^U^a^/^φ_Т, (2.3)

p_n(0) = p_n₀e^U^a^/^φ_Т, (2.4)

где п_р₀ — равновесная концентрация электронов в р-слое; р_п₀ — равновесная концентрация дырок в n-слое.

Экспоненциальный характер зависимости граничных концентраций от приложенного прямого напряжения определяет экспоненциальную зависимость от него диффузионных составляющих, а следовательно, и анодного тока на прямой ветви вольт-амперной характеристики (рис. 2.2, г).

Диффундируя в глубь слоев, неравновесные электроны рекомбинируют с дырками р-слоя, а неравновесные дырки — с электронами n-слоя. В связи с этим концентрации неравновесных носителей заряда уменьшаются по экспоненциальному закону до значений равновесных концентраций (рис. 2.2, в). На расстоянии диффузионных длин L_n и L_p их концентрации уменьшаются в е раз.

В несимметричном p-n-переходе концентрация дырок в р-слоена несколько порядков превышает концентрацию электронов в п-слое (р_р >> п_п), а для концентраций неосновных носителей заряда характерно обратное соотношение: п_р₀<< р_n₀. Этим объясняется, что в несимметричном переходе граничная концентрация р_п(0)>> п_р(0)и ток через p-n-переход создается в основном диффузией дырок из p-слоя в n-слой (дырочной составляющей диффузионного тока), р-слой, осуществляющий эмиссию дырок через p-n-переход, называют эмиттером. Поскольку основой при получении р-п-структуры диода обычно служит полупроводниковый материал n-типа, n-слой называют базой.

Неравновесная концентрация дырок в близлежащем к р-п-переходу слое базы создает положительный заряд. Его компенсируют вошедшие под действием сил электрического притяжения электроны ототрицательного полюса источника, в связи с чем базовый слой остается электрически нейтральным. Эти электроны увеличивают концентрацию основных носителей заряда в примыкающем к p-n-переходу базовом слое (на рис. 2.2, в не показано). Ее распределение вдоль оси х соответствует распределению вдоль этой оси концентрации неравновесных дырок, вызванной их диффузией через p-n-переход.

Непрерывные диффузия дырок через р-п-переход, и их рекомбинация с электронами в прилегающем слое базы создают непрерывный приток электронов от отрицательного полюса источника, а следовательно, и ток в рассматриваемом участке цепи. Таким образом, в то время как прямой ток в p-n-переходе определяется диффузионным током дырок, ток в основной части базового слоя и внешнем выводе обусловливается дрейфовым током электронов. В примыкающем к p-n-переходу базовом слое прямой ток равен сумме диффузионного тока дырок и дрейфового тока электронов. Уменьшение дырочной диффузионной составляющей тока по мере удаления от границы p-n-перехода объясняется уменьшением градиента концентрации дырок вследствие их рекомбинации с электронами. Описанное явление обычно наблюдается при относительно большой ширине n-слоя в так называемых переходах с толстой базой.

В переходах с тонкой базой, когда ее толщина соизмерима с диффузионной длиной дырок L_p (рис. 2.2, в), большинство дырок успевает в результате диффузии пройти базу без рекомбинации, в связи с чем ток в базе будет преимущественно определяться диффузионным током дырок.

Подобные процессы наблюдаются и в слое эмиттера. Избыточная концентрация электронов, созданная в прилегающей к p-n-переходу области под действием диффузии, компенсируется повышением там концентрации дырок (на рис. 2.2, в не показано). Однако для несимметричного p-n-перехода роль электронной составляющей диффузионного тока в общем токе, протекающем через переход, мала. Ее роль несущественна и в токе, протекающем через эмиттерный слой. Ток через эмиттерный слой обусловливается в основном дрейфовым током дырок ввиду существующей в этом слое напряженности электрического поля от внешнего источника.