Электронно-дырочный переход при подаче

Внешнего напряжения.

При подаче внешнего напряжения p-n-переход оказывается в неравновесном состоянии, при котором равновесие потоков основных и неосновных носителей нарушается, и в переходе появляется электрический ток. Рассмотрим процессы, протекающие при этом в несимметричном переходе, эмиттером которого является n-область, а базой - p-область. В этом случае N_D N_А, и, как показано выше, можно пренебречь дырочными

 

Прямое напряжение () Обратное напряжение ()

а)

б)

 

в)

 

Рис. 2.3. К иллюстрации процессов, протекающих в p-n-переходе

в неравновесном состоянии.

 

потоками. Для упрощения анализа сделаем еще два важных допущения. Во-первых, в связи с тем, что сопротивление перехода значительно выше сопротивлений образующих переход n- и p-областей, пренебрежем падением напряжения на этих областях и будем считать, что все внешнее напряжение прикладывается к p-n-переходу. Во-вторых, из-за очень ма-

лой толщины перехода пренебрежем эффектами тепловой генерации и рекомбинации носителей заряда в нем и, следовательно, изменением тока внутри перехода. Эти допущения соответствуют широко используемому в учебной литературе понятию идеализированного перехода.

Определимся также с такими понятиями, как прямое и обратное напряжение (смещение перехода относительно равновесного состояния). Различие между ними заключается в том, в какую сторону при подаче внешнего напряжения изменяются основные параметры перехода - высотапотенциального барьера и ширина перехода ∆. Прямым называется такое напряжение, при котором высота потенциального барьера и ширина перехода уменьшаются, а обратным - соответственно такое напряжение, при котором они увеличиваются

Физические процессы, протекающие при подаче внешнего напряжения в переходе, иллюстрирует рис. 2.3. Левая его колонка соответствует прямому напряжению (), правая - обратному напряжению (). На рис. 2.3, а приведена одномерная структура перехода, на рис. 2,3, б приведена потенциальная диаграмма (пунктиром показана потенциальная диаграмма в равновесном состоянии), на рис. 2.3, в приведено распределение концентрации электронов (неосновных носителей) в p-области (базе). Равновесное значение концентрация электронов в базе обозначено как n_p.

В связи с тем, что все внешнее напряжение u прикладывается к переходу, высота потенциального барьера в неравновесном состоянии будет определяться формулой

. (2.4)

Заметим, что поскольку прямое напряжение , потенциальный барьер будет ниже равновесного (, а поскольку обратное напряжение , потенциальный барьер будет выше равновесного ( |, т.е. ).

Уменьшение потенциального барьера при прямом смещении приведет к тому, что больше электронов (основных носителей заряда в эмиттере) сможет его преодолеть, и будет происходить инжекция электронов через переход из эмиттера в базу. Этот диффузионный поток электронов (показан на рис. 2.3, а) резко увеличивается с ростом прямого напряжения. Что касается встречного дрейфового потока электронов (неосновных носителей) из базы в эмиттер, то поскольку они не преодолевают потенциального барьера, а, напротив, все «скатываются» с потенциальной горки, этот поток не будет зависеть от приложенного напряжения. Реально этот поток очень мал, и им при прямом смещении можно пренебречь по сравнению с потоком основных носителей (электронов из эмиттера в базу).

Вследствие инжекции неравновесная концентрация электронов на границе базы и перехода окажется значительно выше равновесной концентрации ()≫ – см. рис. 3.3, в. В результате будет происходить диффузия электронов вглубь базы, где в начальный момент времени концентрация электронов остается равновесной. По мере диффузионного движения электронов через базу происходит их рекомбинация с дырками (основными носителями), в результате чего концентрация электронов экспоненциально уменьшается – см. рис. 3.3, в. Как показано в п.1.6, на расстоянии всего(3-5) от границы ( - диффузионная длина электронов) концентрация электронов уменьшается до равновесного значения. Потери дырок на их рекомбинацию с электронами восполняются их поступлением из внешней цепи через вывод базы. Таким образом, три процесса: инжекция, диффузия и рекомбинация определяют движение электронов и, соответственно, прямой ток через переход.

Увеличение потенциального барьера при обратном смещении приводит к тому, что электроны (основные носители) в эмиттере не смогут его преодолеть, и их поток уменьшается до нуля (запирается). Через переход будет протекать слабый дрейфовый поток электронов (неосновных носителей заряда в базе), которые будут экстрагироваться из базы в эмиттер. Как отмечалось выше, этот поток не будет зависеть от величины приложенного напряжения.

Вследствие экстракции концентрация электронов на границе базы и перехода оказывается близкой к нулю ()≈ 0), в то время, как в глубине базы она останется равновесной. Неравномерное распределение концентрации электронов приведет к их диффузии из глубины базы к переходу. В области базы, примыкающей к границе , где неравновесная концентрация электронов оказывается ниже равновесной ()˂ - см. рис. 2.3, в, скорость тепловой генерации превосходит скорость рекомбинации. Образовавшиеся в результате генерации электроны экстрагируются в эмиттер, а дырки выталкиваются во внешнюю цепь. Таким образом три процесса: экстракция, диффузия и тепловая генерация определяют движение электронов и соответственно обратный ток через переход.

Важно определить полярности напряжения, которые прикладываются к эмиттеру и базе, при прямом и обратном смещении перехода. При подаче внешнего напряжения электрическое поле в переходе представляет собой суперпозицию внутреннего поля E и внешнего поля E_ВН, создаваемого в переходе внешним напряжением. Поскольку при прямом смещении высота потенциального барьера уменьшается, суммарная напряженность поля в переходе также должнауменьшаться. Очевидно, что в этом случае вектор напряженности внешнего поля E_ВН должен быть направлен навстречу вектору напряженности внутреннего поля E – см. рис.2.3, а, что соответствует подаче прямого напряжения плюсом на p-область, а минусом на n-область. Аналогичные рассуждения показывают, что обратное напряжение подается плюсом на n-область, а минусом на p-область.

Отметим несколько важных различий, проявляющихся при прямом и обратном смещении перехода. Во-первых, в связи с тем, что количество электронов, инжектируемых из эмиттера в базу резко увеличивается при уменьшении высоты потенциального барьера, прямой ток, создаваемый этим потоком, очень эффективно управляется прямым напряжением и может достигать большой величины. С другой стороны, поскольку неосновные носители не преодолевают потенциального барьера и все пересекают переход, создаваемый ими обратный ток от величины обратного напряжения не зависит, т.е. оказывается неуправляемым. Величина обратного тока определяется концентрацией неосновных носителей заряда и оказывается очень низкой по сравнению с прямым током.

Во-вторых, величина прямого напряжения, которое может быть приложено к переходу, невелика и не превышает десятых долей вольта. Нетрудно видеть, что она ограничена равновесной высотой потенциального барьера (u ˂ ), поскольку при u = потенциальный барьер исчезнет и все электроны из эмиттера будут пересекать переход, в результате чего прямой ток станет очень большим и неуправляемым. Следует также заметить, что при u ≈ резко увеличивается падение напряжения на «теле» базы, и формула (2.4) оказывается несправедливой. Величина обратного напряжения никак не связана с величиной , она может ее превосходить на порядки. Ограничение обратного напряжения связано с эффектом пробоя p-n-перехода (см. ниже, п. 2.5). Таким образом, маленькое прямое напряжение очень эффективно управляет достаточно большим прямым током, в то время как достаточно большое обратное напряжение не влияет на маленький обратный ток.

Наконец, в-третьих, при прямом смещении за счет инжекции переход насыщается пересекающими его электронами, в результате чего сопро-тивление перехода резко (на порядки) уменьшается по сравнению с равновесным состоянием. При обратном смещении маленький обратный ток не может насытить переход электронами, и сопротивление перехода остается очень большим.

В завершении раздела два важных определения.

Состояние перехода, при котором к нему приложено прямое напряжение, через него протекает достаточно большой управляемый прямой ток, а сопротивление перехода оказывается низким, называется открытым состоянием перехода.

Состояние перехода, при котором к нему приложено обратное напряжение, через него протекает очень маленький неуправляемый обратный ток, а сопротивление перехода оказывается очень высоким называется закрытым (запертым) состоянием перехода.