Напівпровідникові прилади на основі p-n переходу, страница 4

Аналогічна картина буде мати місце для електронів, що перемістились в р- область. Різниця буде полягати лише в тому, що по причині їх значно меншої концентрації в р- області їх концентрація на межі p-n переходу в р- області буде значно меншою концентрації дірок в n- області. Картина розподілу неосновних носіїв в прямозміщеному p-n переході  пояснюється рис. 3.2. В усталеному режимі (при незмінній прямій напрузі на переході) картина розподілу неосновних носіїв залишається незмінною, чим і забезпечується перевищення дифузійного струму над дрейфовою складовою.

Концентрація p_n(l_n) в залежності від величини прикладеної напруги визначається формулою:

Використовуючи рівняння (3.9) , а також (3.7) і (3.8), знаходимо:

з якої витікає, що і щільність дифузійної складової струму дірок зменшується з глибиною проникнення в n- структуру. Причина зменшення щільності струму, як вказувалось вище, полягає в актах рекомбінації з електронами – основними носіями даної області напівпровідника. В усталеному режимі зменшення концентрації електронів компенсуватиметься з зовнішнього кола з інтенсивністю, що буде забезпечувати постійний струм в зовнішньому колі. Фактично дифузійний струм через p-n перехід в глибині бази і емітера компенсується дрейфовим струмом, обумовленим полем зовнішнього джерела. Його величина визначатиметься максимальною концентрацією дірок, тобто p(l_n):

Аналогічно для електронної складової:

Дифузійна складова струму, що протікає через переріз S напівпровідника, в відповідності до (2.9) і з врахуванням (3.5) може бути визначена з допомогою формули:

.

Приймаючи  , маємо:

Формула (3.11) є ідеалізованою вольт-амперною характеристикою p-n переходу. Складова I_S називається струмом насичення. Його величина зворотньо-пропорційна концентрації основних носіїв р- і n- структур, а, враховуючи залежність (2.3), можна стверджувати, що I_S з ростом температури зростає по експоненціальному закону, а реальна величина тим менша, чим ширша заборонена зона напівпровідникових структур. 

Так як структура напівпровідникового приладу несиметрична, тобто концентрація основних носіїв в p- області на декілька порядків перевищує концентрацію електронів в n- області, то основна складова дифузійного струму – дірки, які переміщуються в глибину n- області. Область, яка забезпечує емісію дірок, як основної складової дифузійного струму, називається емітером, а друга (в нашому випадку n- область) – називається базою. (До емітера приєднується анод, а катод з’єднується з базою.) Ця назва обумовлена тим, що виготовлення p-n структур забезпечується на основі напівпровідника n- типу.

Залежність (3.11) струму через перехід від зовнішньої напруги визначається вольт-амперною характеристикою переходу (ВАХ), яка зображена на рис. 3.5 в першому квадранті.

Зовнішня напругу U_a приводить до створення зовнішнього по відношенню до приладу струму I_a. В діапазоні напруги від 0 до DU₀ має місце компенсація потенційного бар’єру j₀, який пов’язаний з градієнтом концентрації носіїв співвідношеннями (3.2). Тому ВАХ в указаному діапазоні має форму, близьку до експоненти.

При значеннях U_a > DU₀ ВАХ представляє собою фактично пряму лінію, близьку до вертикальної.

Дифузійна ємність

Рис. 3.7

З аналізу роботи прямозміщеного p-n переходу витікає, що в кожній з напівпровідникових структур має місце деяка кількість збиткових неосновних носіїв. Оскільки їх величина залежить від прикладеної напруги, то таке явище можна розглядати як наявність ємності переходу. Оскільки величини зарядів по обидві сторони переходу тісно пов’язані з величиною дифузійного струму, то така ємність називається дифузійною ємністю p-n переходу. Вона визначається як відношення: