Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
е. около 10-5 см.
§ 69. Прохождение тока через п - р-переход
Как мы уже выяснили, при "соприкосновении" полупроводников п-и р-типа
происходит перераспределение зарядов, приводящее к возникновению
контактной разности потенциалов, после установления которой ток в
полупроводнике прекращается. Положение меняется, если приложить к концам
полупроводника внешнюю разность потенциалов. Включенный таким образом
полупроводник называется полупроводниковым диодом. Соответствующая
электрическая схема изображена на рис. 141.
Исследуем вольт-амперную характеристику полупроводникового диода.
Установим прежде всего, как расположены валентные зоны и зоны
проводимости в присутствии внешней ЭДС.
Мы уже отмечали, что электрическое сопротивление составного
полупроводника сосредоточено в основном в области п- р-перехода. На эту
Рис. 141. Включение полупроводника с п - р-переходом в цепь постоянного
тока: а - включение "прямого" напряжения; б - включение "обратного"
напряжения.
§69. Прохождение тока через п - р-переход
345
область приходится почти все падение напряжения, создаваемое внешним
источником. На рис. 142 а изображено положение энергии Ферми и границ зон
до подключения внешнего источника, а на рис. 142 б, в -
после его подключения. (Еще раз обращаем внимание читателей на то,
что на диаграммах энергетических зон потенциальная энергия электронов
возрастает снизу вверх, а электрический потенциал направлен вниз.) Будем
считать, что приложенная ЭДС меньше ширины энергетической щели
полупроводника.
Найдем ток, создаваемый электронами, пересекающими п - р-переход. Для
электронов, подходящих к переходу справа (неосновные носители), от
включения внешней ЭДС ничего не меняется. Все электроны, доходящие до
перехода, беспрепятственно его пересекают. Обозначим их ток через 1пф.
Обратимся теперь к основным носителям - к электронам, подходящим слева.
Потенциальный барьер для них изменился (уменьшился или увеличился). Если
раньше его величина была равна ?р - ?п (рис. 139), то теперь она
изменяется до ?р -
- in - У так что идущий слева направо диффузионный ток изменяется в
exp(eV/kT) раз1.
При отсутствии внешней ЭДС электронный ток, проходящий слева направо, был
равен току, идущему справа налево, т. е. 1пф. Таким образом, слева
направо проходит теперь ток 1ЩР exp(eV/kT). Суммарный электронный ток,
проходящий через переход, равен, следовательно,
In = 1п,р(ееУ/кТ - !)• (13.30)
Аналогичное соотношение справедливо для тока дырок:
ПК.
1р -
о
eV/kT _
!)•
(13.31)
Рис. 142. Положение зон в области п - р-иерехо-да при наложении внешней
ЭДС.
Складывая эти формулы и вводя обозначение /о = 1ЩР + /р,п, найдем
7 = 70(eey/fcT - 1).
(13.32)
величина V положительна при прямом (положительном) включении напряжения
(рис. 141 а и 142 б) и отрицательна при обратном (отрицательном)
включении (рис. 141 б и 142 в).
346
Глава 13
Эта формула определяет вольт-амперную характеристику п-р-перехода. Она
изображена на рис. 143. Обсудим ее особенности.
При положительных внешних напряжениях (рис. 142 б) показатель экспоненты
положителен и ток, проходящий через диод, быстро (экспоненциально)
возрастает. В этом случае облегчаются условия прохождения через п - р-
переход для основных носителей тока: для электронов из n-полупроводника и
для дырок из р-полупроводника.
При изменении знака ЭДС положение меняется (рис. 142 в). Переходы
основных носителей затрудняются. При увеличении отрицательного смещения
экспоненциальный член перестает вносить вклад в ток I и он стремится к
пределу -Iq (к току насыщения), соответствующему случаю, когда весь ток
сводится к току неосновных носителей Is. Поскольку концентрация
неосновных носителей экспоненциально зависит от Т-1, обратный ток и ток
насыщения быстро увеличиваются при нагревании полупроводника.
Из формулы (13.32) и рис. 143 видно, что полупроводниковый диод обладает
резко нелинейной (неомической) вольт-амперной характеристикой. Ток
насыщения полупроводниковых диодов составляет несколько миллиампер на
квадратный сантиметр, допустимый прямой ток на четыре порядка больше.
Обратное напряжение, которое выдерживает диод, довольно велико - 100 В и
более. При превышении допустимого напряжения наступает пробой и диод
выходит из строя.
Интересно проследить судьбу прошедших через п- р-переход электронов,
попадающих в полупроводник р-типа, и дырок в полупроводнике n-типа.
Внешнее напряжение производит инжекцию неосновных носителей в
соответствующие участки полупроводника - электронов в р-полупроводник и
дырок в полупроводник n-типа. Инжектированные - неравновесные - носители,
конечно, рекомбинируют с основными носителями.
Инжектированные в полупроводник неосновные носители диффундируют в нем,
постепенно рекомбинируя. На начальном участке полупроводника их
концентрация оказывается повышенной. Длина этого участка по порядку
величины равна длине диффузии, т. е. длине, на которую (в среднем)
проникают диффундирующие частицы, число которых постепенно уменьшается
