Смещение p-n перехода

Смещением p-n перехода называют его отклонение от состояния равновесия (11) при том или ином энергетическом воздействии на кристалл. Например, сместить переход можно наложением на кристалл внешнего электрического поля. С этой целью к p-и n- областям кристалла привариваются внешние выводы, на которые подают напряжение той или иной полярности. При этом надо иметь в виду, что, поскольку область p-n перехода является обеднённой (носителями) областью, следовательно её сопротивление на несколько порядков больше сопротивления остальных p- и n-областей кристалла, поэтому падением напряжения на них можно пренебречь и считать, что всё внешнее напряжение приложено к p-n переходу.

Рис. 5. P-n переход в равновесном состоянии (а) и в режимах прямого (б) и обратного (в) смещений

На рис. 5 приведены энергетические диаграммы кристалла полупроводника с созданным в нём p-n переходом (область p-n перехода заштрихована), которые иллюстрируют результаты такого воздействия. На рис.5а p-n переход находится в равновесном состоянии (см. рис.4), поскольку напряжение на выводах кристалла отсутствует.. В области перехода действует внутреннее поле Ɛ_внутр, обусловленное контактной разностью потенциалов U_к.

При наложении на кристалл внешнего поля состояние равновесия нарушается. Если на кристалл накладывается внешнее поле Ɛ_внешн, направление которого встречно направлению внутреннего поля (рис. 5б), то происходит понижение потенциального барьера перехода, поскольку результирующее его поле уменьшается. Как следствие, увеличивается число основных носителей, диффундирующих через переход, равновесие (11) нарушается, и через переход в большей степени начинает проходить ток диффузии (ток основных носителей) - I_дифф. По мере увеличения внешнего напряжения происходит дальнейшее уменьшение высоты потенциального барьера перехода, и когда внешнее напряжение будет сопоставимым с контактной разностью потенциалов U_к, то p-n переход практически исчезнет, и величина тока перехода будет определяться лишь малым сопротивлением кристалла примесного полупроводника. Отсюда следует, что при прямом смещении перехода его ширина уменьшается, поскольку диффундирующие к границе основные носители нейтрализуют заряды ионов примеси

При смене полярности внешнего напряжения (рис. 5в) внешнее поле совпадёт с внутренним полем, что приведёт к увеличению высоты потенциального барьера относительно равновесного его значения. Как следствие, уменьшится ток диффузии, а ток дрейфа (при малых значениях внешнего напряжения) останется практически неизменным (т.к. его величина, в основном, определяется температурой кристалла, а она постоянна). В результате появится ток перехода обратного направления, который будет расти с ростом приложенного напряжения. В конце концов, растущий потенциальный барьер не позволит перейти границу ни одному самому энергичному основному носителю, и ток через переход будет практически постоянным. Но теперь это ток неосновных носителей, ток дрейфа - I_др. При обратном смещении происходит расширение p-n перехода. Это связано с тем, что внешнее поле оттягивает к краям кристалла основные носители, в результате чего происходит расширение обеднённой высокоомной области.

Поскольку концентрация основных носителей много больше концентрации носителей неосновных, то ток диффузии много больше тока дрейфа. Ток основных носителей называют прямым током и обозначают I_пр, а ток неосновных носителей – обратным током - I_обр. Таким образом:

(12)

Напряжение той полярности, которая вызывае прохождение прямого тока называют прямым напряжением - U_пр, а напряжение обратной полярности – обратным напряженим – U_обр. Говоря о состоянии p-n перехода, необходимо использовать следующие словосочетания: напряжение прямого (обратного) смещения p-n перехода, прямое (обратное) смещение p-n перехода, режим прямого (обратного) смещения.

На практике разница между прямым и обратным токами составляет от четырех до восьми порядков. что позволяет в расчётах пренебрегать обратным током, полагая

.

Отсюда следует, что p-n переход проводит ток лишь при подаче на него прямого напряжения, и не проводит ток при обратной полярности приложенного напряжения. Таким образом, основным свойством p-n перехода является односторонняя проводимость, т.е. он проводит ток лишь в одном направлении. Это позволяет использовать его для преобразования переменного тока, который меняет своё направление дважды за период (поскольку дважды за период меняется полярность переменного напряжения), в постоянный ток, ток одного направления.