Прямое смещение р-n-перехода

Разность потенциалов Δφна границах р-n -перехода можно изменять относительно «контактной» разности потенциалов Δφ₀с помощью внешнего напряжения, подаваемого на клеммы Э и Б полупроводниковой системы.

Если напряжение U приложено так, что Δφ < Δφ₀, оно называется напряжением «прямого смещения» р-n -перехода или прямым напряжением на полупроводниковом диоде. В рассматриваемом здесь случае полярность прямого напряжения должна иметь «плюс» на Э и «минус» на Б.

При прямом смещении р-n -перехода по сравнению с равновесными значениями уменьшаются разность потенциалов Δφ, высота Δ E и ширина l потенциального барьера.

(2)

а также на ∆ E_F = q_eU уровень Ферми E_Fn в n- слое смещается «вверх» на зонной диаграмме относительно уровня Ферми E_Fp в р -слое. Неравенство E_Fn>E_Fp означает, что система прямым напряжением U выведена из состояния равновесия при неизменной температуре. Такой процесс «энергетического смещения» при Т = const сохраняет в р -слое и в n -слое равновесное положение валентной зоны ВЗ и зоны проводимости ЗП относительно соответствующего уровня Ферми. На зонной диаграмме ВЗ и ЗП в n -слое вместе с E_Fn смещается «вверх», как это показано на рис. 3.

Рис. 2

Рис. 3

При «прямом смещении» и при Т = const концентрация неосновных носителей – дырок в n -слое P_n и дрейфовый поток Δ P_n дырок из n -слоя практически остаются такими же, как и в состоянии равновесия.

Диффузионный же поток дырок ∆ P_p из р- слоя,зависящий от высоты Δ E барьера, существенно возрастает по сравнению с равновесным значением: Δ P_p >> P_{р 0}. В n -слое за счет этого потока появляются «избыточные неосновные носители тока» – дырки. Этот процесс нагнетания из эмиттера в базу неосновных носителей называют инжекцией. На границе р-n- перехода (х =0 на рис. 3) концентрация «избыточных дырок» Δ P₀ = Δ P_p - Δ P_n максимальна. Эти дырки диффундируют в n -слое и по причине рекомбинации с имеющимися в этом слое свободным электронами уменьшают свою концентрацию по закону

(3)

где L ≈ 0,1 мм - «диффузионная длина» дырок в n -слое, при которой ∆P (x=L)< ∆P ₀в e = 2,7раз, k = 1,38 ⋅ 10^–23 Дж/К.

Рекомбинационное уменьшение свободных электронов в n -слое компенсируется их притоком из внешней цепи под действием источника «прямого» напряжения. Соответственно инжекция дырок из эмиттера в р -слое компенсируется оттоком электронов во внешнюю цепь, что эквивалентно притоку дырок из этой цепи.

Диффузионный дырочный ток на границе (x =0 на рис. 3) р-n -перехода с n -слоем определяется законом диффузии

(4)

где D_p - коэффициент диффузии дырок в n -слое.

Подставляя ∆ P (x)из (3) и находя производную, получим при x =0 формулу прямого тока через р -n -переход

(5)

где I _{0 p} =q_e D_pSP_n / L - «тепловой ток» дырок, зависящий от температуры вследствие термогенерации p дырок в n -слое и от ширины запрещенной зоны Δ E_З полупроводника. При Т = 300 К для Ge I_0p ≈1 мкА, для Si I_0p ≈10^–7 мкА. Прямое напряжение смещения, исходя из требования Δφ = Δφ₀ -U > 0,ограничивается условием U < Δφ₀. Прямой ток нормируется по допустимой мощности, выделяющейся при нагревании полупроводника, и для диодов средней мощности I _max ≈0,5 А. Так как ширина l p-n- перехода при прямом смещении мала, его сопротивление незначительно.

Примечание: Если р-n -переход симметричный, аналогичным образом рассматриваются электронные потоки в зоне проводимости, инжекция электронов из n -слоя, диффузионный электронный ток, соответствующий формуле (4), но содержащий тепловой ток электронов I _{0 n}. Прямой ток является суммой дырочного и электронного токов.