При отсутствии внешнего напряжения диффузный ток и ток проводимости равны и взаимно компенсируют друг друга. При прямом напряжении iдиф> iпров и поэтому полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю: iпр = iдиф – iпров> 0.
Если барьер значительно понижен, то iдиф»iпров и можно считать, что iпр ~ iдиф, т. е. прямой ток в переходе является диффузионным.
Явление введения носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжек-цией носителей заряда. Область полупроводникового прибора, из которой инжектируются носители, называется эмиттерной областью, или эмиттером. А область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда, называется базовой областью, или базой. Таким образом, если рассматривать инжекцию электронов, то п-область является эмиттером, а р-область – базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а п-об-ласть является базой.
В полупроводниковых приборах обычно концентрация примесей, а следовательно, и основных носителей в п– и р-областях весьма различна. Поэтому инжекция из области с более высокой концентрацией основных носителей резко преобладает. Соответственно этой преобладающей инжекции и дают название эмиттер и база. Например, если пп»рр, то инжек-ция электронов из п-области в р-область значительно превосходит инжекцию дырок в обратном направлении. В данном случае эмиттером считают п-область, а базой р-область, так как инжекцией дырок можно пренебречь.
При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но и уменьшается толщина запирающего слоя. Это приводит к уменьшению сопротивления запирающего слоя. Его сопротивление в прямом направлении получается малым.
Поскольку высота барьера при отсутствии внешнего напряжения составляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и существенного уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к р-п-переходу прямое напряжение всего лишь порядка десятых долей вольта. Поэтому значительный прямой ток можно получить при очень небольшом прямом напряжении.
Очевидно, что при некотором прямом напряжении можно вообще уничтожить потенциальный барьер в р-п-переходе. Тогда сопротивление перехода, т. е. запирающего слоя, станет близко к нулю и им можно будет пренебречь. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть от сопротивления объемов пи р-областей. Теперь уже этими сопротивлениями пренебрегать нельзя, так как именно они остаются в цепи и определяют величину тока.
12. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ
Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным – к области р. Под действием такого обратного напряжения через проход протекает очень небольшой обратный ток, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. Результирующее поле усиливается. Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих в область р-п-перехода из объемов п-и р-областей. Выведение неосновных носителей через р-п-переход ускоряющим электрическим полем, созданным внешним напряжением, называют экстракцией носителей заряда.
Таким образом, обратный ток представляет собой практически ток проводимости, образованный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Действительно, при повышении обратного напряжения поле в области перехода становится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев в глубь пи р– областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя. Этот слой еще больше обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает.
Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток достигает почти постоянной величины, которую можно назвать током насыщения. Это объясняется тем, что количество неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает и обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается. Рассмотрим несколько подробнее, как устанавливается обратный ток при включении обратного напряжения. Сначала возникает переходный процесс, связанный с движением основных носителей. Электроны в п-области движутся по направлению к положительному полюсу источника, т. е. удаляются от р-п-пере-хода. А в р-области, удаляясь от р-п-перехода, движутся дырки. У отрицательного электрода они рекомбинируют с электронами, которые приходят из провода, соединяющего этот электрод с отрицательным полюсом источника.
Поскольку из п-области уходят электроны, она заряжается положительно, так как в ней остаются положительно заряженные атомы донорной примеси. Подобно этому р-область заряжается отрицательно, ее дырки заполняются приходящими электронами и в ней остаются отрицательно заряженные атомы акцепторной примеси.
Рассмотренное движение основных носителей в противоположные стороны продолжается лишь малый промежуток времени. Такой кратковременный ток подобен зарядному току конденсатора. По обе стороны р-п-перехода возникают два разноименных объемных заряда, и вся система становится аналогичной заряженному конденсатору с плохим диэлектриком, в котором имеется ток утечки (его роль играет обратный ток). Но ток утечки конденсатора в соответствии с законом Ома пропорционален приложенному напряжению, а обратный ток р-п-перехода сравнительно мало зависит от напряжения.
13. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА
Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость, можно определить ток при заданном напряжении или, наоборот, напряжение, соответствующее заданному току.
Если сопротивление прибора является постоянным, не зависящим от тока или напряжения, выражается законом Ома: i= u/R, или i= Gu.
Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональности является проводимость G =1/R.
График зависимости между током и напряжением называется «вольт-амперная характеристика» данного прибора. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат.
Приборы, подчиняющиеся закону Ома и имеющие вольт-амперную характеристику в виде прямой линии, проходящей через начало координат, называются линейными.
Существуют также приборы, у которых сопротивление не является постоянным, а зависит от напряжения или тока. Для таких приборов связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложным образом, и вольт-амперная характеристика не является прямой линией. Эти приборы называются нелинейными.
Электронно-дырочный переход по существу представляет собой полупроводниковый диод.
Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно, т. е. наступает явление, напоминающее насыщение. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода током, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т. е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации.
Явление это состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяясь в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые в свою очередь разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.
При некотором значении обратного напряжения возникает пробой p-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой p-n-перехода. Электрический пробой является обратимым, если при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушений структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.
