Прямое и обратное смещение

Основные принципы работы p–n перехода

При соединении двух областей полупроводника с различным типом проводимости (p- и n-области) на их границе формируется p–n переход. В зоне перехода возникает встроенное электрическое поле, обусловленное диффузией носителей заряда и рекомбинацией вблизи границы. Это поле создает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему движению основных носителей. В равновесии токов нет: диффузионный ток компенсируется дрейфовым, и система находится в состоянии динамического баланса.

Однако при приложении внешнего напряжения равновесие нарушается. Характер протекания тока через p–n переход зависит от полярности внешнего напряжения.

Прямое смещение p–n перехода

При прямом смещении к p-области подключают положительный полюс источника напряжения, а к n-области — отрицательный. В этом случае:

  • внешнее поле компенсирует встроенное поле перехода,
  • потенциальный барьер снижается,
  • ширина обеднённого слоя уменьшается.

Как только высота барьера становится меньше средней тепловой энергии носителей, основные носители (дырки из p-области и электроны из n-области) легко преодолевают границу.

Особенности процесса при прямом смещении:

  • Резко увеличивается диффузионный ток основных носителей.
  • Концентрация неосновных носителей у границы перехода возрастает в несколько раз.
  • Величина тока экспоненциально зависит от приложенного напряжения.

Математически ток через p–n переход при прямом смещении описывается выражением:

$$ I = I_0 \left( e^{\frac{qU}{kT}} - 1 \right), $$

где

  • I — полный ток через переход,
  • I0 — ток насыщения (обусловлен диффузией неосновных носителей),
  • q — заряд электрона,
  • U — приложенное напряжение,
  • k — постоянная Больцмана,
  • T — абсолютная температура.

При $U \gg \frac{kT}{q}$ член «–1» в скобках можно опустить, и зависимость становится экспоненциальной. Это объясняет резкий рост тока при сравнительно небольших напряжениях прямого смещения (порядка 0,3–0,7 В для кремниевых и германиевых диодов).

Обратное смещение p–n перехода

При обратном смещении полярность изменяется: к p-области подключают отрицательный полюс источника, а к n-области — положительный.

В этом случае:

  • внешнее поле увеличивает встроенный потенциал барьера,
  • ширина обеднённого слоя возрастает,
  • движение основных носителей через переход подавляется.

Основные эффекты обратного смещения:

  • Диффузионный ток основных носителей практически исчезает.
  • Через переход протекает лишь небольшой ток неосновных носителей, называемый обратным током насыщения.
  • Величина этого тока слабо зависит от приложенного напряжения и определяется концентрацией термически сгенерированных неосновных носителей.

Формула тока сохраняется прежней:

$$ I = I_0 \left( e^{\frac{qU}{kT}} - 1 \right). $$

Так как при обратном смещении U < 0, экспоненциальный член становится малым, и ток приближается к значению −I0. Таким образом, обратный ток практически постоянен при изменении напряжения до тех пор, пока не наступит пробой.

Вольт-амперная характеристика p–n перехода

Графическая зависимость тока от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

  • В области прямого смещения ВАХ имеет экспоненциальный характер: слабый рост тока при малых напряжениях и резкий рост при достижении порогового значения.
  • В области обратного смещения ВАХ выходит на горизонтальный участок, где ток практически равен I0.
  • При дальнейшем увеличении обратного напряжения может возникнуть электрический пробой, приводящий к резкому возрастанию тока.

Влияние температуры

Температурные эффекты играют ключевую роль:

  • При повышении температуры концентрация неосновных носителей возрастает, что приводит к увеличению I0. Следовательно, обратный ток сильно зависит от температуры (растет экспоненциально).
  • Прямой ток также возрастает с температурой, однако изменение формы ВАХ выражено слабо по сравнению с обратным током.
  • Пороговое напряжение, при котором начинается экспоненциальный рост тока, уменьшается при увеличении температуры.

Физическая интерпретация процессов

С точки зрения движения носителей:

  • При прямом смещении основные носители свободно преодолевают пониженный барьер и рекомбинируют в соседней области.
  • При обратном смещении ток определяется лишь движением неосновных носителей, которые диффундируют через переход и создают практически постоянный малый ток.

Таким образом, асимметрия поведения p–n перехода объясняется различной ролью основных и неосновных носителей при различных полярностях напряжения.

Оглавление