Области пространственного заряда

В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.

Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и перетекание зарядов прекращается.

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением.

\\Если же внешнее напряжение приложено так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем между областями пространственного заряда, то это приведет лишь к увеличению областей пространственного заряда, и ток через p-n-переход не идёт. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением.\\

Так как прямое напряжение вызывает встречное движение дырок и электронов, то их концентрация в приконтактных областях возрастает, что приводит к уменьшению ширины запирающего слоя. Зависимость тока диффузии от прямого напряжения имеет вид

(3.30)

Так же как и для обратного включения, тепловой ток не будет зависеть от напряжения. Полный ток через p-n-переход равен разности диффузионного и теплового:

(3.31)

Формулу (3.31) можно считать универсальной, если принять, что внешнее напряжение в нее входит со своим знаком (прямое направление положительное, обратное — отрицательное).

При прямом смещении на р-n-переходе экспоненциальный член быстро возрастает и единицей в фигурных скобках можно пренебречь, поэтому I=I_диф. При обратном смещении на р-n-переходе экспоненциальный член стремится к нулю и ток через p-n-переход равен тепловому току I₀.

Зависимость тока I от внешнего напряжения, т. е. теоретическая вольт-амперная характеристика p-n-перехода, соответствующая формуле (3.31), показана на рис. 3.2.

На вольт-амперную характеристику сильно влияет температура. С изменением температуры смещается как обратная, так и прямая ветвь характеристики. Зависимость от температуры обратной ветви вольт-амперной характеристики определяется температурной зависимостью тока I₀.

При повышении температуры увеличивается число пар электрон — дырка, возникающих в p- и n-областях вследствие теплового движения атомов. Это приводит к увеличению теплового тока I₀ p-n-перехода.

Зависимость от температуры прямой ветви вольт-амперной характеристики при малых прямых напряжениях согласно выражению (3.31) определяется изменениями тока I₀ и показателя экспоненты. Прямой ток через p-n-переход возрастает с увеличением температуры вследствие увеличения тока I₀ . Но при больших прямых токах основную роль начинает играть проводимость полупроводникового кристалла, которая уменьшается с увеличением температуры, что приводит к снижению прямого тока.

Билет 4