2 Рис.2.2. Електронно-дірковий перехід при прямому зміщенні .2. Електронно-дірковий перехід при прямій напрузі

Нехай джерело зовнішнього напруги під’єднане додатним полюсом до напівпровідника р-типу (рис. 2.2. а). Така напруга, у якої полярність збігається з полярністю основних носіїв, називається прямою. Дія прямого напруги U_пр, що викликає прямий струм І_пр через перехід, пояснюється потенціальною діаграмою на рис. 2.2.б). На цьому і наступних малюнках потенціальна діаграма зображена спрощено. Для розгляду n-р - переходу процеси в інших частинах ланцюга не представляють інтересу. Тому на діаграмах не показана зміна потенціалу вздовж n- і р-областей, тобто їх опір прийнятий рівним нулю. Не показана також зміна потенціалу в контактах областей п і р з електродами, до яких приєднані провідники від джерела напруги.)

Електричне поле, що створюється в n-р-переході прямою напругою, діє назустріч полю контактної різниці потенціалів. Це показано на малюнку векторами Е_к і Е_пр. Результуюче поле стає слабшим, і різниця потенціалів у переході зменшується, тобто висота потенційного бар'єра знижується, зростає дифузійний струм, оскільки більше число носіїв може подолати знижений бар'єр. Струм дрейфу при цьому майже не змінюється, оскільки він залежить головним чином від числа неосновних носіїв, що попадають за рахунок своїх теплових швидкостей на п - р-перехід з n- і р-областей. Якщо нехтувати падінням напруги на опорі областей n і р, то напругу на переході можна вважати рівною U_к - U_пр. Для порівняння на рис.2.2.б) штриховою лінією зображена також потенціальна діаграма при відсутності зовнішньої напруги.

Як відомо, в цьому випадку струми I_диф і I_др рівні і взаємно компенсують . При прямому зміщенні I_диф >> I_др і тому повний струм через перехід, тобто прямий струм, вже не рівний нулю:

I_пр=I_диф - I_др >0

Якщо бар'єр значно знижений, то I_диф > I_др і можна вважати, що I_пр=I_диф тобто прямий струм в переході є чисто дифузійним.

Введення носіїв заряду через знижений під дією прямого напруги потенціальний бар'єр в область, де ці носії є неосновними, називається інжекцією носіїв заряду. Слово “інжекція” означає “введення, вприскування”. Застосування терміну “інжекція” необхідно для того, щоб відрізняти дане явище від електронної емісії, внаслідок якої виходять вільні електрони у вакуумі або розрідженому газі. Область напівпровідникового приладу, з якої інжектуються носії, називається емітерною областю або емітером. А область, в яку інжектуються неосновні для цієї області носії заряду, називається базовою областю або базою. Таким чином, якщо розглядати інжекцію електронів, то n-область є емітером, а р-областю базою. Для інжекції дірок, навпаки, емітером служить р-область, а базою n-область.

Звичайно концентрація домішок, а отже, і основних носіїв в n- і р-областях дуже різна. Тому інжекція електронів з області з більш високою концентрацією основних носіїв переважає. Відповідно цьому області і називають “емітер” і “база”. Наприклад, якщо n_n >>p_р, то інжекція електронів з n-області в р-область значно перевершує інжекцію дірок у зворотному напрямку. У цьому випадку емітером вважають n-область, а базою р-область, оскільки інжекцією дірок можна нехтувати.

При прямій напрузі не тільки знижується потенційний бар'єр, але також зменшується товщина збідненого шару (d_пр < d) і його опір в прямому напрямку стає малим (одиниці - десятки) Ом.

Оскільки висота бар'єра U_к при відсутності зовнішньої напруги становить декілька десятих часток вольта, то для значного пониження бар'єра та істотного зменшення опору збідненого шару досить підвести до n-р- переходу таку ж пряму напругу (десяті частки вольта). Тому великий прямий струм можна отримати при дуже невеликому значенні прямої напруги.

Очевидно, що при деякому прямій напрузі можна взагалі знищити потенційний бар'єр в n-р-переході. Тоді опір переходу, тобто збідненого шару, стане близьким до нуля і ним можна буде нехтувати. Прямий струм у цьому випадку зросте і буде залежати тільки від опору n і р-областей. Тепер вже цими опорами нехтувати не можна, оскільки саме вони залишаються в ланцюгу і визначають значення прямого струму. Пояснимо це числовим прикладом.

Нехай в деякому діоді при прямому зміщенні, близькому до нуля, опір збідненого шару дорівнює 200 Ом, а опір n і р - областей по 5 Ом. Ясно, що в цьому випадку повний опір діода становить 200 + 2 · 5 = 210 Ом, тобто приблизно дорівнює опору самого n-р-переходу (200 Ом). А якщо при деякій · прямій напрузі бар'єр зникає і опір переходу стає 0,5 Ом, то повний опір, рівне тепер 0,5 + 2 · 5 = 10,5 Ом, можна приблизно вважати що складається тільки з двох опорів по 5 Ом, тобто допустимо нехтувати опором переходу.

Розглянемо ще характер прямого струму в різних частинах кола (рис.2.2, а). Електрони з n -області рухаються через перехід в р-область, а назустріч їм з р-області в n-область переміщаються дірки, тобто через перехід протікають два струми: електронний і дірковий. У зовнішніх провідниках, звичайно, рухаються тільки електрони. Вони переміщаються в напрямі від мінуса джерела до п-області і компенсують спад електронів, що дифундують через перехід в р-область. А з р-області електрони йдуть у напрямі до плюса джерела, і тоді в цій області утворяться нові дірки. Такий процес відбувається безперервно, і, отже, безперервно протікає прямий струм.

Біля лівого краю області електронний струм має найбільше значення. По мірі наближення до переходу цей струм зменшується, оскільки все більша кількість електронів рекомбінує з дірками, які рухаються через перехід назустріч електронам, а дірковий струм I_p, навпаки, збільшується. Повний прямий струм I_пр в будь-якому січенні є сталий

I_пр=I_п + I_р =const.

Це випливає - з основного закону послідовного електричного кола: у всіх частинах такого ланцюга струм завжди однаковий.

Оскільки товщина переходу дуже мала і він збіднений носіями, то в ньому рекомбінує мало носіїв і струм тут не змінюється. А далі електрони, інжектовані в р-область, рекомбінують з дірками. Тому по мірі віддалення від переходу праворуч в р-області струм I_n продовжує зменшуватися, а струм i_p збільшується. Біля правого краю р-області струм I_n найменший, а струм I_p найбільший. На рис. 2.3 показана зміна цих струмів вздовж осі х для випадку, коли струм I_n переважає над струмом I_p, внаслідок того що n_n > р_n і рухливість електронів більша рухливості дірок. Звичайно, при прямому ввімкненні крім дифузійного струму є ще струм дрейфу, викликаний переміщенням неосновних носіїв. Але якщо він дуже малий, то його можна не брати до уваги.