Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (Основы электроники и микроэлектроники (книга)), страница 7

1.2.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении При подаче на р-и переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности. Внешнее напряжение, подключенное плюсом к р-области, а минусом к п-области, называют прямым напряжением 1/„, (рнс. 1.9,а). Напряжение 1!., почти полностью падает на р-и переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р- и п-областей.

0 б Рнс.!.Э. Электронно-дырочный переход при примни напрнме- нни; а — схема иключеиии; б — потенциальный барьер Полярность внешнего напряжения 0„, противоположна полярности контактной разности потенциалов 0„, поэтому электрическое поле, созданное на р-и переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на р-и переходе (рис.

1.9, б): <р — ь'х х'лр ° Вследствие разности концентраций дырок в р- и и-областях, а электронов в п- и р-областях основные носители заряда днффундируют через р-п переход, чему способствует снижение потенциального барьера. Через р-и переход начинает проходить диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители заряда в обеих областях движутся к р-и переходу, обогащая его подвижными носителями и уменьшая таким образом ширину 1 обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления р-и перехода и возрастанию диффузионного тока. Однако пока 11.р меньше 1/„, еще существует потенциальный барьер; обедненный носителями заряда слой р-и перехода имеет большое сопротивление, ток в цепи имеет малую величину. При увеличении внешнего прямого напряжения до 0„, = 0„ потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю.

Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя р-п перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводностн. В результате этого через р-и переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током )нь который с увеличением прямого напряжения растет.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называют инжекцией. В симметричном р-п переходе инжекции дырок из р-области в и-область и электронов из и-области в р-область по интенсивности одинаковы. Инжектированные в и-область дырки и в р-область электроны имеют вблизи границы большую концентрацию, уменьшающуюся по мере удаления от границы в глубь соответствующей области из-за рекомбинаций. Большое количество неосновных носителей заряда у границы компенсируется основными носителями заряда, которые поступают из глубины области; например, инжектированные в и-область дырки — электронами. В результате этой компенсации объемных зарядов, создаваемых у р-и перехода инжектированными неосновными носителями, полупроводник становится электрически нейтральным. Движение основных носителей заряда через р-и переход создает электрический ток во внешней цепи.

Уход электронов из и-области к р-и переходу и далее в р-область и исчезновение их в результате рекомбинации восполняется электронами, которые поступают из внешней цепи от минуса источника питания. Соответственно, убыль дырок в р-области, ушедших к р-и переходу и исчезнувших при рекомбинации, пополняется за счет ухода электронов из ковалентных связей во внешнюю цепь к плюсу источника питания. Неосновные носители заряда, оказавшиеся в результате инжекции в области с противоположным типом электропроводности, например дырки, инжектнрованные из р-области в и-область, продолжают движение от границы вглубь.

Это движение происходит по причине как диффузии, так и дрейфа, поскольку имеется и градиент их концентрации, и электрическое поле в полупроводнике, созданное внешним напряжением. Диффузия преобладает вблизи р-и перехода, а дрейф — вдали от него, внутри соответст- вующей области. На определенном расстоянии от р-и перехода у концентрация инжектированных неосновных носителей заряда убывает до нуля вследствие рекомбинации. В итоге концентрация неосновных носителей остается такой, какой была в равновесном состоянии при отсутствии внешнего напряжения, т.

е. обусловленной собственной электропроводностью полупроводника. Дрейф неосновных носителей заряда теплового происхождения в сторону от р-и перехода внутрь области создает тепловой ток й. Тепловой ток на несколько порядков меньше диффузионного тока основных носителей заряда, т. е. прямого тока 1„,, и имеет противоположное ему направление. Прямой ток создается встречным движением дырок и электронов через р-и переход, но направление его соответствует направлению движения положительных носителей заряда — дырок.

Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника прямого напряжения через полупроводниковый кристалл к минусу источника. Мы рассмотрели процессы в симметричном р-и переходе. В используемых на практике несимметричных р-л переходах, имеющих неодинаковые концентрации акцепторов и доноров, инжекция носит односторонний характер. Например„ если концентрация дырок в р-области на несколько порядков превышает концентрацию электронов в и-области (ррЪп„), то диффузия дырок в и-область будет несоизмеримо больше диффузии электронов в р-область.

В этом случае можно говорить об односторонней инжекцин дырок в п-область, а диффузионный ток через р-и переход считать дырочным, пренебрегая его электронной составляюшей. Таким образом, в несимметричном р-л переходе носители заряда инжектируются из низкоомной области в высокоомную, для которой они являются неосновными.

При несимметричном р-и переходе область полупроводника с малым удельным сопротивлением (большой концентрацией примеси), из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую ннжектируются неосновные для нее носители заряда, — базой. 1.2.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении Обратным напряжением (1,о, называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности потенциалов; оно приложено плюсом к л-области, а минусом — к р-области (рис.

1.1О,а). При этом потенциальный барьер возрастает; он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений (рис. 1.10,6): ср= О, + О,а,. Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через р-л переход, и она уменьшается, а при некотором значении 0,~, совсем прекрашается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряженнем, основные носители заряда будут отходить от р-и перехода. Соответственно расширяются слой, обедненный носителями заряда, и р-и переход, причем его сопротивление возрастает.

Внутреннее электрическое поле в р-и переходе, соответствуюшее возросшему потенциальному барьеру, способствует движе- обр.! обо Рис. 1.!О. Электронно-дырочныб переход при обратном напряжении: о — схема включения; б — иотенниальный барьер нию через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к р-и переходу электрическое поле захватывает их и переносит через р-и переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области в п-область, а дырки — из и-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через р-п переход очень мал. Ток, протекающий через р-и переход при обратном напряжении, называют обратным током 1 ~,.

Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током 1.~, =!„, который не зависит от обратного напряжения. Процесс захватывания электрическим полем р-и перехода неосновных носителей заряда и переноса их прн обратном напряжении через р-и переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.

Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концентрации в данной области около границы р-и перехода практически до нуля. Это вызывает диффузию неосновных носителей заряда из глубины области в направлении к р-л переходу, что компенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую область. Движение неосновных носителей заряда к р-л переходу создает электрический ток в 31 объеме полупроводника. Компенсация убыли электронов в объеме полупроводника р-типа происходит за счет пополнения их из внешней цепи от минуса источника питания. Это вызывает прохождение электрического тока во внешней цепи.