Главная Движение носителей электрических зарядов



-----1-

----Wf

Рис. 16.13

что в р-и-переходе возникает потенциальный барьер, равный контактной разности потенциалов Дф, kotopjto называют высотой потенциального барьера.

Рассмотрим образование потенциального барьера с точки зрения зонной теории твердого тела (рис. 16.13). При контакте полупроводников р (область J)- и п (область I)-типов образуется единая система, уровень Ферми в которой является общим дня обеих областей (при условии термодинамического равновесия и в отсутствие внешнего электрического поля). На границе раздела уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны (сечение на границе обладает собственной электропроводностью). Поскольку в области и-типа уровень Ферми находится недалеко от дна зоны проводимости (/), а в области р-типа - недалеко от потолка валентной зоны ( ), энергетические зоны смещаются относительно друг друга и в области р-и-перехода (область 2) образуется потенциальный барьер, высота которого

Афк = hWjq, (16.2)

где AW - минимальная энергия, которую нужно дополнительно сообщить электрону (или дырке) дня того, чтобы он (она) мог перейти в смежную область; q - заряд электрона.

На высоту потенциальнсмго барьера влияет концентрация примесей. Если увеличить концентрацию, уровень Ферми в области и-типа приблизится к дну зоны проводимости, в области р-типа - к потолку валентной зоны. В этом случае энергия ДЩ а следовательно, и потенциальный барьер Афк увеличатся (в предельном случае AVF будет приблизительно равна ширине запрещенной зоны).

Если концентрацию примесей уменьшить, уровень Ферми сместится к середине запрещенной зоны, энергия ДЩ а следовательно, и высота потенциального барьера уменьшатся. Потенциальный барьер р-и-переходов, образованных в германии, равен 0,3-0,4 В, в кремнии - 0,7-0,8 В.

То«5и в р-и-переходе. Итак, перемещение основных носителей заряда через р-и-переход в смежные области происходит за счет диффузии против поля р-и-перехода. Этот поток носителей является Ьиффузион-ным током:

7лиф=7р, + 7„„, (16.3)

где и - токи, образованные соответственно дыркайи области р и электронами области п. Одновременно с перемещением основных носителей заряда через р-и-переход начинается перемещение неосновных носителей (дьфок р„ области и и электронов Ир области р) в направлении поля р-и-перехода, которое для них является ускоряющим. Поток неосновных носителей является дрейфовым током (током



пповодимости):

где 1р и - токи, образованные соответственно дырками и-области и электронами р-области. В отсутствие внешнего поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей заряда и токи, диффузионный и дрейфовый, оказываются равными по абсолютному значению:

диф - /др, или /од = Iq, (16.5)

где дня условия равновесия обозначено /д„ф = /од и /др = Iq. Тогда с учетом (16.3) и (16.4) можно записать

Но так как диффузионный и дрейфовый токи направлены в противоположные стороны, то результирующий ток через р-и-переход будет равен нулю.

Прямое включение р-н-перехода. Если источник напряжения подключить знаком, плюс к области р-типа, а знаком минус к области и-типа, то получим включение, которое называют прямым (рис. 16.14). Противоположное включение назьшают обратным. Электрическое поле источника напряжения напряженностью £„ направлено навстречу контактному полю напряженностью Е, поэтому напряженность результирующего электрического поля Еу = Е - £„. Уменьшение напряженности электрического поля в р-и-переходе вызовет снижение высоты потенциального барьера на значение прямого напряжения U источника:

Дф„ = Дф, - и. (16.7)

Уменьшение высоты потенциального барьера приводит к тому, что увеличивается число основных носителей заряда через р-и-переход, т. е. усиливается диффузионный ток. Изменение диффузионного тока с изменением напряжения происходит по экспоненциальному закону:

/д„Ф = /оде«Л«.т) (16.8)

Так как /од = /о согласно (16.5), то удобнее записать

/диф = /ое«Л«Ч (16.9)

Здесь и в дальнейшем прямое напряжение [/„р будем записьшать со знаком плюс, обратное напряжение - со знаком минус.

На дрейфовый ток изменение высоты потенциального барьера не влияет, так как этот ток определяется только количеством неосновных носителей заряда, переносимых через р-и-переход в единицу времени в результате их хаотического теплового движения. Диффузионный и дрейфовый токи направлены в противоположные стороны, поэтому результирующий (пря>лой) ток через р-и-переход с учетом (16.9)

4р=/диф-/о=/о(е™-1). (16.10)

Прямой ток, как видно из (16.10), зависит от приложенного напряжения. Даже небольшое напряжение, приложенное к р-л-переходу,




Рис. 16.14

о -tp

Рис. 16.15

вызывает большой ток, так как потенциальш.1Й барьер невелик (0,35 В в германиевом и 0,6 В в кремниевом р-и-переходах). В результате действия внешнего поля в прямом направлении в области р-и-перехода происходит перераспределение концентрации носителей заряда. Дырки р-области и электроны и-области диффундируют в гл>бь р-и-перехода и рекомбинируют там. Ширина перехода при этом уменьшается, вследствие чего снижается сопротивление запирающего слоя.

При обратном включении р-и-перехода (рис. 16.15) электрическое поле источника напряжения напряженностью £„ направлено в ту же сторону, что и контактное поле перехода напряженностью Е, поэтому напряженность результирующего поля в переходе £2 = + и- Увеличение напряженности электрического поля в р-и-переходе повышает потенциальный барьер на значение обратного напряжения источншса:

Дф,2=Афк+17. (16.11)

Это, в свою очередь, приводит к уменьшению числа основных носителей заряда, способных преодолеть потенциальный барьер, т. е. к снижению диффузионного тока. Изменение диффузионного тока происходит по экспоненциальному закону

/диф = /одб-сЛ = 1ф-1Ш-т). (16.12)

Поскольку дрейфовый ток не зависит от высоты потенциального барьера, он равен току /о, а результирующий ток через р-и-переход

/обр = -1о=1с(е-яиккт) 1). (16.13)

Ток при обратном включении р-и-перехода называют обратным током. При некотором значении обратного напряжения диффузионный ток станет равным нулю. Для неосновных носителей заряда поле р-и-перехода является ускоряющим, поэтому дырки области и из прилегающих к р-и-переходу слоев дрейфуют в область р-типа, а электроны области р - в область и-типа. Через р-и-переход протекает только дрейфовый ток. Он мал, поскольку мала концентрация неосновных



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 [100] 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148


0.0143