Электронные приборы (активные элементы цепей), страница 4

5.2.4. Токи в полупроводниках.

Различают токи дрейфовые, при наличии электрического поля, и диффузионные, когда имеются градиенты концентрации носителей. Объёмная плотность дрейфового тока . Здесь:  - заряд электрона;  и  - концентрация и подвижность носителей;  - напряжённость электрического поля. Подвижность есть средняя скорость направленного движения (дрейфа) носителей в поле с единичной напряжённостью (м ² /в·сек).

Объёмная плотность диффузионного тока  , где  - градиент концентрации, а  - коэффициент диффузии (м ² /сек.). Коэффициенты  и  имеют разные значения для электронов и дырок. В полупроводниковых приборах важную роль играют оба механизма появления токов.

5.3. p – n  переход.

Такой переход мы получим, если реализуем хороший (металлургический) контакт двух областей пп с p и n проводимостью, рис. 5.9. Внешняя цепь не замкнута. Через границу раздела двух областей начнёт протекать диффузионный ток основных носителей. При этом дырки из левой области, попадая в правую, становятся там неосновными носителями, и наоборот. По мере развития процесса диффузии, градиенты концентрации в зоне  p – n перехода будут уменьшаться, что приведёт к уменьшению диффузионного тока, причём эта тенденция будет сохраняться.

С появлением диффузионного тока, p – область будет приобретать отрицательный заряд, а  n – область – положительный. На  p – n  переходе возникнет электрическое поле, и как следствие, дрейфовый ток неосновных носителей, который имеет тенденцию возрастать. Равновесное состояние будет достигнуто, когда токи через границу сравняются. Тогда суммарный ток . На  p – n  переходе установится нормальная контактная разность потенциалов. Около границы, по обе стороны от неё, образуется зона  p – n перехода, обеднённая основными носителями, зона с бóльшим сопротивлением.

Если мы замкнём цепь, то в рассмотренной системе из двух областей ничего не изменится. По – прежнему .

Включим теперь в цепь источник, смещающий переход в обратном (запорном) направлении, увеличивающий ту разность потенциалов, которая возникла на контакте, рис. 5.10а. Равновесие нарушится и в цепи потечёт ток. Электрическое поле в зоне перехода стало больше, и дрейфовый ток неосновных носителей увеличился. Диффузионный ток основных носителей при этом  уменьшается, поскольку зона перехода становится толще, а градиент концентрации меньше. По мере увеличения такого смещения мы придём к следующей ситуации. Диффузионный ток будет продолжать слабо уменьшаться, а дрейфовый ток неосновных носителей достигнет практически максимальной величины, определяемой концентрацией этих носителей (). В цепи установится некоторый ток , называемый часто «тепловым» током  p – n перехода. Он очень резко зависит от температуры.

Сменим полярность источника в цепи и сместим переход в прямом направлении, рис. 5.10б. При этом мы сразу рассмотрим случай, когда напряжение источника  значительно больше контактной разности потенциалов перехода. Электрическое поле на p – n переходе тоже сменит знак и вызовет дрейфовый ток уже основных носителей. Теперь оба тока определяются основными носителями и текут в одном направлении. Главным становится дрейфовый ток, имея тенденцию нарастать. Суммарный ток перехода резко увеличивается с ростом  напряжения источника и становится много больше теплового тока  (на несколько порядков). Получается типичная, диодная ВАХ, изображённая на рис. 5.11.

Анализ, основанный на простой модели явлений, приводит к экспоненциальной зависимости тока от напряжения на начальном участке ВАХ. . Здесь:  - тепловой потенциал;  - постоянная Больцмана;  - абсолютная температура. При комнатной температуре  25 – 30 мв. Указанная зависимость позволяет легко оценить дифференциальное сопротивление p – n перехода в интересной области.  ом, если . Дифференциальное сопротивление оказывается обратно пропорционально току. Эта формула часто используется для оценок.

p – n переход обладает ёмкостью, т.е. ведёт себя как конденсатор. Эта ёмкость растёт с ростом приложенного напряжения и может составлять сотни пф, рис. 5.12. При смещении перехода в обратном направлении (барьерная ёмкость), ситуация очень напоминает обычный конденсатор. Между областями пп возникает обеднённая носителями зона с большим сопротивлением (запорный слой, диэлектрик). При прямом смещении перехода этой зоны нет, но зато по обе стороны перехода образуются объёмные заряды неосновных носителей (диффузионная ёмкость). Существуют специальные пп диоды – варикапы, ёмкость которых управляется напряжением.