Трансформатор Электрические машины Проводниковые материалы Расчет мостового выпрямителя с фильтром Двухполупериодные выпрямители Туннельный диод Диэлектрик и идеальный проводник


Курс лекций по физике для студентов технических университетов. Расчеты в электрических цепях

Способы нарушения равновесия

Равновесие в переходе может быть нарушено либо путем изменения напряженности поля в переходе, либо путем изменения концентрации СНЗ.

Концентрация СНЗ как в переходе, так и прилегающих к нему областях полупроводника, может быть изменена, например, путем облучения полупроводника светом подходящей длины волны или путем любого другого воздействия, изменяющего скорость генерации (рекомбинации) свободных носителей заряда в этих областях. Она может быть изменена также путем принудительного введения (инжекции) в переход или, наоборот, путем принудительного извлечения (экстракции) из перехода СНЗ.

Напряженность поля в переходе может быть изменена путем приложения к переходу внешнего напряжения. Разность потенциалов на границах p-n перехода при этом или уменьшается, или возрастает, в зависимости от полярности приложенного напряжения. Если разность потенциалов на границах перехода уменьшается, то включение перехода называется прямым, если же она увеличивается, то включение называют обратным.

Поскольку концентрация СНЗ и напряженность поля величины, связанные между собой, поэтому, независимо от того на какую из них воздействует внешний фактор, изменяться будут обе эти величины. Напряженность поля и разность потенциалов на переходе становятся отличными от своих равновесных значений и в переходе, как и в прилегающих к нему областях, появляются избыточные или неравновесные СНЗ.

Независимо от причины, вызывающей нарушение равновесия в переходе силы действующие на каждый из носителей зарядов, оказываются не скомпенсированными, и электроны и дырки приходят в движение. Если внешняя цепь перехода замкнута, то в переходе возникает электрический ток, если же эта цепь разомкнута - на внешних выводах контактирующих полупроводников устанавливается некоторое напряжение (термоЭДС, фотоЭДС и т.д.).

 Действие большой группы электропреобразовательных полупроводниковых приборов основано на инициировании электрического тока в p-n переходах путем приложения к ним внешнего напряжения.

Действие фотоэлектрических полупроводниковых приборов основано на инициировании в переходе электрического тока (фотоЭДС) электромагнитным излучением (световым потоком).

Уравнение тока через p-n переход

Рассмотрим значение тока при приложении к p-n переходу обратного и прямого напряжения.

Внешнее напряжение U приложенное к p-n переходу называется обратным, если плюс источника питания подается к n-области, а минус — к p-области (рис. 3.6). Это напряжение оказывается той же полярности, что и контактная разность потенциалов uк.

В этом случае поля складываются, потенциальный барьер между p- и n-областями возрастает и становится равным сумме uк+U. Количество основных носителей, способных преодолеть отталкивающее действие результирующего поля, уменьшается. Соответственно уменьшается и ток диффузии. Под влиянием электрического поля, создаваемого источником напряжения U, основные носители будут оттягиваться от приконтактных слоев вглубь полупроводника. В результате ширина запирающего слоя увеличивается по сравнению с шириной в равновесном состоянии.

Рис. 3.6. Электронно-дырочный переход при подключении внешнего напряжения в обратном направлении

По мере увеличения внешнего напряжения остается все меньше подвижных носителей, способных преодолеть возрастающее тормозящее электрическое поле, и поэтому диффузионный ток через переход с увеличением обратного напряжения стремится к нулю. Эта зависимость имеет экспоненциальный характер:

  (3.25)

 (3.26)

где 1по и Iр0 — диффузионный ток электронов из n-области и дырок из р-области при U=0.

При комнатной температуре q/kT = 39 В-1 поэтому экспоненциальная зависимость очень сильная.

Согласно (3.2) и с учетом (3.25)и (3.26) получаем, что общий диффузионный ток

  (3.27)

где Iдиф0 = 1р0 + In0.

Полный ток через переход равен разности диффузионного и теплового токов, поскольку они направлены в разные стороны. Практически все неосновные носители, подходящие к p-n-переходу, перемещаются в соседнюю область. Поэтому тепловой ток зависит от концентрации неосновных носителей в n-, p-областях и не зависит от напряжения, приложенного к p-n-переходу. Полный ток через p-n-переход

  (3.28)

При внешнем напряжении, равном нулю, Iдиф0 = I0. поэтому зависимость тока от обратного напряжения принимает вид :

  (3.29)

В случае приложения к p-n-переходу прямого напряжения U плюс источника подается к p-области, а минус — к n-области полупроводника. (рис. 3.7). В этом случае потенциальный барьер между p-n-областями уменьшается. Диффузия основных носителей через p-n-переход облегчается и во внешней цепи возникает ток, примерно равный току диффузии.

Рис. 3.7. Электронно-дырочный переход при подключении внешнего напряжения в прямом направлении

Так как прямое напряжение вызывает встречное движение дырок и электронов, то их концентрация в приконтактных областях возрастает, что приводит к уменьшению ширины запирающего слоя. Зависимость тока диффузии от прямого напряжения имеет вид

 (3.30)

Так же как и для обратного включения, тепловой ток не будет зависеть от напряжения. Полный ток через p-n-переход равен разности диффузионного и теплового:

  (3.31)

Формулу (3.31) можно считать универсальной, если принять, что внешнее напряжение в нее входит со своим знаком (прямое направление положительное, обратное — отрицательное).

При прямом смещении на р-n-переходе экспоненциальный член быстро возрастает и единицей в фигурных скобках можно пренебречь, поэтому I=Iдиф. При обратном смещении на р-n-переходе экспоненциальный член стремится к нулю и ток через p-n-переход равен тепловому току I0.

Зависимость тока I от внешнего напряжения, т. е. теоретическая вольт-амперная характеристика p-n-перехода, соответствующая формуле (3.31), показана на рис. 3.2.

На вольт-амперную характеристику сильно влияет температура. С изменением температуры смещается как обратная, так и прямая ветвь характеристики. Зависимость от температуры обратной ветви вольт-амперной характеристики определяется температурной зависимостью тока I0.

При повышении температуры увеличивается число пар электрон — дырка, возникающих в p- и n-областях вследствие теплового движения атомов. Это приводит к увеличению теплового тока I0 p-n-перехода.

Зависимость от температуры прямой ветви вольт-амперной характеристики при малых прямых напряжениях согласно выражению (3.31) определяется изменениями тока I0 и показателя экспоненты. Прямой ток через p-n-переход возрастает с увеличением температуры вследствие увеличения тока I0 . Но при больших прямых токах основную роль начинает играть проводимость полупроводникового кристалла, которая уменьшается с увеличением температуры, что приводит к снижению прямого тока.

Контрольные вопросы:

Какие электрические переходы вы знаете? Дайте им определения.

Какие процессы происходят в равновесном p-n-переходе. Запишите условие равновесия перехода.

Перечислите основные параметры электронно-дырочного перехода.

Каким образом можно нарушить равновесие в p-n-переходе?

Запишите выражения для тока при подключении к переходу внешнего напряжения.


На главную