Диод во внешнем электрическом поле.

При приложении внешнего электрического поля через р-n переход начинает течь ток. Если созданное внешним источником электрическое поле в р-n переходе совпадает по направлению с диффузионным, то высота потенциального барьера для основных носителей увеличивается (рис.2в). Однако для неосновных носителей, т.е. для дырок в n-области и электронов в р-области, потенциальный барьер в р-n переходе вообще отсутствует. Неосновные носители заряда будут втягиваться электрическим полем в р-n переход и переходить через него в соседнюю область. Такой ток через р-n переход будет мал из-за малой концентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к р-n переходу областях. Напряжение, имеющее такую полярность, называют обратным и считают отрицательным. При этом толщина р-n перехода увеличивается, так как при этом увеличивается суммарная напряженность электрического поля в р-n переходе и увеличивается глубина проникновения этого поля в прилегающие к контакту области.

Величина потока неосновных носителей заряда не зависит от величины обратного напряжения U_обр. Она определяется только скоростью их тепловой генерации в объеме полупроводника и скоростью их диффузии к p-n переходу (к области объемного заряда), пересекая который они и дают вклад в электрический ток, текущий через p-n переход. Однако достичь перехода могут не все неосновные носители, а только те, которые родились достаточно близко от него (на расстоянии диффузионной длины). Остальные неосновные носители не доходят до перехода и не дают вклада в ток. Таким образом, при U<0 ток через p-n переход не зависит от напряжения U. Этот ток I₀ называется током насыщения (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика выпрямляющего диода.

 

Факторы, влияющие на ток насыщения:

1) С увеличением температуры ток насыщения увеличивается, т.к. экспоненциально увеличивается собственная концентрация носителей заряда.

2) В диодах на основе материалов с большей шириной запрещенной зоны плотность тока насыщения будет больше, так как собственная концентрация экспоненциально уменьшается.

3) С увеличением концентрации примесей плотность тока насыщения уменьшается (меньше время жизни из-за усиления рекомбинации с основными носителями).

Если внешнее напряжение приложено так, что создаваемая им напряженность электрического поля противоположна направлению диффузионной напряженности поля, то суммарная напряженность поля в р-n переходе падает, высота потенциального барьера уменьшается (рис.2б). Часть основных носителей, имеющих небольшие энергии, может теперь преодолевать барьер, проходя через р-n переход. Это приводит к появлению сравнительно большого тока через переход (прямой ток на три порядка больше тока насыщения). Напряжение такой полярности называется прямым и считается положительным. Преодолевшие потенциальный барьер носители заряда оказываются в соседней области неосновными носителями. С увеличением внешнего прямого напряжения уменьшается суммарная напряженность электрического поля в р-n переходе, соответственно уменьшается и глубина проникновения этого поля в области полупроводника, прилегающего к контакту. Поэтому уменьшается толщина р-n перехода (ширина области объемного заряда).

Так как высота потенциального барьера qU уменьшается пропорционально приложенному напряжению, а носители заряда распределены по энергиям по экспоненциальному закону (в соответствии со статистикой Ферми-Дирака или Максвелла-Больцмана), то величина прямого тока через p-n переход определяется формулой

.

где I₀ – ток насыщения. q – заряд носителя, U – приложенное напряжение, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

 

а б в

 

Рис. 4. Влияние температуры (а), ширины запрещенной зоны (б) и концентрации примесей (в) на прямую ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

 

Факторы, влияющие на прямой ток диода (рис. 4):

1) При увеличении температуры а) уменьшается высота потенциального барьера и б) изменяется распределение носителей заряда по энергиям – электроны занимают все более высокие уровни в зоне проводимости. Из-за этих двух причин прямой ток через диод увеличивается с ростом температуры при неизменном приложенном напряжении (рис. 4а).

2) У диода с большей шириной запрещенной зоны больше высота потенциального барьера, поэтому прямой ток через диод из материала с большей шириной запрещенной зоны будет меньше при том же напряжении (рис. 4б).

3) С увеличением концентрации примесей в прилегающих к p-n переходу областях будет увеличиваться высота потенциального барьера, а значит, будет меньше прямой ток при неизменном напряжении (рис. 4в).