2.1.2. Прямое смещение p-n-перехода

Подключение к p-n-структуре внешнего напряжения (напряжения смещения) приводит к изменению условий переноса носителей заряда через p-n-переход. Существенную роль при этом играет полярность внешнего напряжения, прикладываемого к p-n-переходу. Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение U_a подключено в так называемом прямом направлении: плюс на аноде А (p-области), а минус – на катоде К (n-области) (рис. 2.2, а-г).

Рассмотрим свойства идеального p-n-перехода, который обеднен свободными носителями заряда и поэтому имеет высокое электрическое сопротивление. Считаем, что сопротивление p- и n-областей мало, поэтому все напряжение приложено к области собственно p-n-перехода.

Рис. 2.2. Прямое (а-г) и обратное (д-з) включение p-n-перехода (диода)

При указанном подключении источника создаваемое им внешнее электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю перехода, что приводит к уменьшению результирующего поля в p-n-переходе. Поэтому за счет внешнего приложенного напряжения потенциальный барьер на границе раздела (на объемном заряде) уменьшается (б) и в соответствии с (2.1) становится равным:(U) = (₀ – U_a) << ₀, в пределе стремясь к нулю.

Заметим, что величина (U) определяет величину (высоту) потенциального барьера p-n-перехода при включении внешнего источника, как в прямом, так и в обратном направлении.

Уменьшение потенциального барьера облегчает диффузионный переход основных носителей заряда через границу раздела, что приводит к увеличению плотности диффузионного тока. Следовательно, суммарный ток через прямо смещенный р-n-переход изменяется, и в соответствии с (2.2) можно записать: плотность прямого тока равна J_а  J_диф(U)  0, поскольку дрейфовой составляющей J_др можно пренебречь. С повышением приложенного прямого внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается, так как уменьшившийся (по высоте) потенциальный энергетический барьер способны теперь преодолеть основные носители заряда, обладающие меньшей энергией. В связи с этим плотность прямого тока через переход возрастает еще в большей степени.

Ток прямо смещенного перехода I_a равен произведению плотности тока J_a через p-n-переход на площадь S его сечения: I_a = SJ_a. Примерный вид прямой ветви вольтамперной характеристики p-n-перехода показан на рис. 2.2, г.

По мере возрастания прямого напряжения, через p-n-переход переходит значительное количество основных носителей. Явление перехода свободных носителей через прямо смещенный p-n-переход, и накопление этих носителей в прилегающих областях перехода, называется инжекцией носителей заряда или просто, инжекцией.

В связи с этим вблизи границ l_n и l_p переходов (рис. 2.2, в) накапливаются инжектированные носители (справа  дырки, слева – электроны). Эти заряды можно интерпретировать как заряды, на воображаемом конденсаторе с емкостью С_диф, называемой диффузионной емкостью перехода. Величина диффузионной емкости С_диф возрастает по мере увеличения прямого напряжения, поскольку все больше зарядов инжектируется, а значение ширины области объемного заряда l(U) уменьшается.

Очевидно, что с ростом напряжения U_а (или тока I_a) сопротивление r перехода, заливаемого основными носителями, резко (экспоненциально) уменьшается (г).

По мере увеличения прямого тока напряжение на p-n-переходе возрастает, стремясь (при достаточно больших токах) к некоторой величине ∆U_a (рис. 2.2, г), называемой прямое падение напряжения на прямо смещенном p-n-переходе. Как правило, в кремниевых диодах величина ∆U_a не более 0,8 – 1,2 В, в то время как в германиевых диодах равна ∆U_a = 0,3 – 0,6 В. Одной из причин большего прямого падения напряжения ∆U_a в кремниевых диодах является большая величина ₀, связанная со большим значением ширины запрещенной зоны [3]. Значение ∆U_a желательно запомнить, поскольку оно играет важную роль в дальнейшем.