P n переход в полупроводниках

p-n-перехо́д или электронно-дырочный переход — область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости — дырочной (p, от англ. positive — положительная) и электронной (n, от англ. negative — отрицательная). Электрические процессы в p-n-переходах являются основой работы полупроводниковых приборов с нелинейной вольт-амперной характеристикой (диодов, транзисторов и других ).

Содержание

Области пространственного заряда [ править | править код ]

В полупроводнике p-типа, который получается посредством акцепторной примеси, концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа, который получается посредством донорной примеси, концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — основные носители заряда (электроны и дырки) хаотично перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше, и рекомбинируют друг с другом. Как следствие, вблизи границы между областями практически не будет свободных (подвижных) основных носителей заряда, но останутся ионы примесей с некомпенсированными зарядами [1] . Область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе, получает при этом отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получает положительный заряд, приносимый дырками (точнее, теряет уносимый электронами отрицательный заряд).

Таким образом, на границе полупроводников образуются два слоя с пространственными зарядами противоположного знака, порождающие в переходе электрическое поле. Это поле вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и изменение пространственных зарядов прекращается. Обеднённые области с неподвижными пространственными зарядами и называют p-n-переходом [2] .

Выпрямительные свойства [ править | править код ]

Если к слоям полупроводника приложено внешнее напряжение так, что создаваемое им электрическое поле направлено противоположно существующему в переходе полю, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением (на область p-типа подан положительный потенциал относительно области n-типа).

Если внешнее напряжение приложить так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем в переходе, то это приведёт лишь к увеличению толщины слоёв пространственного заряда. Диффузионный ток уменьшится настолько, что преобладающим станет малый дрейфовый ток. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением (или запорным смещением), а протекающий при этом через переход суммарный ток, который определяется в основном тепловой или фотонной генерацией пар электрон-дырка, называется обратным током.

Ёмкость [ править | править код ]

Ёмкость p-n-перехода — это ёмкости объёмных зарядов, накопленных в полупроводниках на p-n-переходе и за его пределами. Ёмкость p-n-перехода нелинейна — она зависит от полярности и значения внешнего напряжения, приложенного к переходу. Различают два вида ёмкостей p-n-перехода: барьерная и диффузионная [3] .

Барьерная ёмкость [ править | править код ]

Барьерная (или зарядовая) ёмкость связана с изменением потенциального барьера в переходе и возникает при обратном смещении. Она эквивалентна ёмкости плоского конденсатора, в котором слоем диэлектрика служит запирающий слой, а обкладками — p и n-области перехода. Барьерная ёмкость зависит от площади перехода и относительной диэлектрической проницаемости полупроводника.

Диффузионная ёмкость [ править | править код ]

Диффузионная ёмкость обусловлена накоплением в области неосновных для неё носителей (электронов в p-области и дырок в n-области) при прямом смещении. Диффузионная ёмкость увеличивается с ростом прямого напряжения.

Воздействие радиации [ править | править код ]

Взаимодействие радиационного излучения с веществом — сложное явление. Условно принято рассматривать две стадии этого процесса: первичную и вторичную.

Первичные или прямые эффекты состоят в смещении электронов (ионизации), смещении атомов из узлов решётки, в возбуждении атомов или электронов без смещения и в ядерных превращениях вследствие непосредственного взаимодействия атомов вещества (мишени) с потоком частиц.

Вторичные эффекты состоят в дальнейшем возбуждении и нарушении структуры выбитыми электронами и атомами.

Наибольшего внимания заслуживают возбуждение электронов с образованием электронно-дырочных пар и процессы смещения атомов кристалла из узлов решетки, так как это приводит к образованию дефектов кристаллической структуры. Если электронно-дырочные пары образуются в области пространственного заряда, это приводит к возникновению тока, на противоположных контактах полупроводниковой структуры. Этот эффект используется для создания беттавольтаических источников питания со сверхдолгим сроком службы (десятки лет).

Облучение заряженными частицами большой энергии всегда приводит к первичной ионизации и, в зависимости от условий, к первичному смещению атомов. При передаче высоких энергий электронам решетки образуются дельта-излучение, высокоэнергетические электроны, которые рассеиваются от ионного трека, а также фотоны и рентгеновские кванты. При передаче атомам кристаллической решетки меньших энергий происходит возбуждение электронов и их переход в более высокоэнергетическую зону, в которой электроны термолизируют энергию путем испускания фотонов и фононов (нагрев) различных энергий. Наиболее общим эффектом рассеяния электронов и фотонов является эффект Комптона.

Методы формирования [ править | править код ]

Вплавление примесей [ править | править код ]

При вплавлении монокристалл нагревают до температуры плавления примеси, после чего часть кристалла растворяется в расплаве примеси. При охлаждении происходит рекристаллизация монокристалла с материалом примеси. Такой переход называется сплавным.

Диффузия примесей [ править | править код ]

В основе технологии получения диффузного перехода лежит метод фотолитографии. Для создания диффузного перехода на поверхность кристалла наносится фоторезист — фоточувствительное вещество, которое полимеризуется засвечиванием. Неполимеризованные области смываются, производится травление плёнки диоксида кремния, и в образовавшиеся окна производят диффузию примеси в пластину кремния. Такой переход называется планарным.

Эпитаксиальное наращивание [ править | править код ]

Сущность эпитаксиального наращивания состоит в разложении некоторых химических соединений с примесью легирующих веществ на кристалле. При этом образуется поверхностный слой, структура которого становится продолжением структуры исходного проводника. Такой переход называется эпитаксиальным [3] .

Полупроводниковым p-n- переходом называют тонкий слой, образующийся в месте контакта двух областей полупроводников акцепторного и донорного типов (см. рис. 19). Обе области полупроводника, изображенные на рисунке, электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примеси электрически нейтральны. Отличия этих областей — в том, что левая из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а правая свободно перемещающиеся электроны.

Рисунок 19 Распределение зарядов в области p-n- перехода

В результате теплового хаотического движения одна из дырок из левой области -типа может попасть в правую область -типа, где быстро рекомбинирует с одним из электронов. В результате этого в правой области появится избыточный положительный заряд, а в левой области — избыточный отрицательный заряд (см. рис. 19). Аналогично, в результате теплового движения один из электронов из левой области может попасть в правую, где быстро рекомбинирует с одной из дырок. В результате этого в правой области также появится избыточный положительный заряд, а в левой области — избыточный отрицательный заряд.

Появление этих зарядов приведет к появлению электрического поля на границе областей полупроводника. Это поле будет отталкивать дырки — области от границы раздела полупроводников, а электроны -области — вправо от этой границы. С электрическим полем можно связать потенциальную энергию дырки и электрона в областях (см. рис. 19). Получается, что дырка для перехода из -области в -область должна "забраться" на потенциальный порог высоты . На аналогичный порог должен "забраться" электрон для перехода из -области в -область.

Если к переходу приложить внешнюю разность потенциалов , как это показано на рис. 20 (а) (это — так называемое прямое включение перехода), то внешнее поле уменьшит существующее в кристалле поле , (так как не совпадает по направлению с внутренним), высота порогов на рис. 20 уменьшится, тогда ток основных носителей возрастет.

Рисунок 20 Потенциальные пороги вблизи p-n- перехода при прямом включении внешнего напряжения на нем

Рисунок 21 Потенциальные пороги вблизи p-n- перехода при обратном включении внешнего напряжения на нем

Лекция 6

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор (устройство) с двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода.

По назначению полупроводниковые диоды можно кратко классифицировать:

• выпрямительные;
• стабилитроны;
• туннельные;
• варикапы.

Выпрямительные диоды

Выпрямительный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока, полярность которого меняется в течении периода колебаний (синусоида) в ток одной полярности.

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n- перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении. Напомним, что работа всех полупроводниковых приборов зависит от их температуры.

На рисунке приведена типичная характеристика диода. Она называется «Вольт-Амперной» и показывает как меняется ток (Ампер) через диод при изменении напряжения на нем (Вольт). Следует обратить внимание, что масштабы на полуосях как аргумента так и функции разные.

Рисунок 22 Вольт-амперные характеристики диода

Первая четверть соответствует прямому включению p-n перехода, а третья – обратному. Сильное увеличение силы прямого тока при малых изменениях напряжения (малое сопротивление диода) приводит к тому, что диод сильно нагревается проходящим током и может разрушиться от высокой температуры. Это не восстановимое разрушение и называется «Тепловой пробой»

При обратном включении обратный ток даже при очень больших напряжениях изменяется очень мало до определённого предела значения обратного напряжения, после которого происходит резкое увеличения обратного тока. Это наступает «Электрический пробой», не разрушающий p-n перехода. После снятия напряжения диод восстанавливается и может работать дальше. Это явление используется для стабилизации напряжения при изменении силы тока.

На рисунке приведена схема элементарного выпрямителя и временные диаграммы процессов, протекающих в нем. Условное обозначение диода похоже на стрелочку. Направление стрелки показывает направление прямого тока (или плюсовой вывод диода)

Рисунок 23 Схема параметрического выпрямителя

Когда ЭДС источника имеет положительную полуволну, диод включается в прямом направлении и имеет малое сопротивление, следовательно, суммарное сопротивление цепи составляет в основном сопротивление нагрузки, оно же и определяет по закону Ома значение проходящего тока. При отрицательной полуволне источника диод включается в обратном направлении, общее сопротивление цепи резко возрастает и ток практически отсутствует. Таким образом, в нагрузке появляется пульсирующий ток, но одной полярности. Его нельзя назвать постоянным, но так как он одной полярности, его можно назвать «выпрямленным». Пульсацию можно сгладить разными фильтрами.

Стабилитроны

Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на р-n- переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-n- переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Рисунок 24 Вольтамперная характеристика стабилитрона

Из рисунка видно, что значительное изменение обратного тока через диод приводит к незначительному изменению обратного напряжения.

Далее на рисунке представлена простейшая схема стабилизатора напряжения на нагрузке

Рисунок 25 Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения

По первому закону Кирхгофа ток в ограничивающем сопротивлении R_огр представляет собой сумму токов в стабилитроне и в резисторе нагрузки. Стабилитрон (как диод) включен к источнику в обратном направлении и параллельно нагрузке. По свойству параллельно соединённых элементов, напряжение на нагрузке будет равно напряжению на стабилитроне, которое меняется незначительно, пропуская через себя возросший ток из-за возросшего питающего напряжения.

Туннельные диоды

Туннельный диод – это полупроводниковый диод в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт — амперной характеристике при прямом напряжении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий р-n переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект состоит в том, что при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии.

Рисунок 26 Вольтамперная характеристика туннельного диода

На участке характеристики, где аргумент от значения U_п – напряжение пика увеличивается до значения U_в – напряжение впадины, на этом же участке сила тока уменьшается, то есть дифференциальное сопротивление (смотри ниже «нелинейные цепи») отрицательное.

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

Диоды Шоттки

Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов).

Диоды Шоттки — составные части современных дискретных (цифровых) полупроводниковых приборов

Рисунок27 Структура диода Шоттки

Структура детекторного Шоттки диода : 1 — полупроводниковая подложка; 2 — эпитаксиальная плёнка; 3 — контакт металл — полупроводник; 4 — металлическая плёнка; 5 — внешний контакт

Варикапы

В узкой области p-n перехода происходит разделение зарядов (см. рис ), то есть появление ёмкости.

Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n перехода от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически изменяемой емкостью.

Рисунок 28 Вольтфарадная характеристика варикапа

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях, то есть в усилителях, в которых усиление достигается за счет использования каких-то электрических параметров элементов, входящих в состав усилителя.

Фотодиоды

Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический — без внешнего источника энергии (в этом режиме получается высокая чувствительность к свету).
• фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания (фотодиодный режим).

1 – кристалл полупроводника, 2 – контакты, 3 – выводы, Е – источник постоянного тока, R_н — нагрузка

Рисунок 29 Схема включения в фотодиодном режиме

При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток под действием света, называется фототоком.

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.

а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока I_темн от напряжения.

б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. г) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод.

д) постоянная времени – это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в «е» раз (63%) по отношению к установившемуся значению после освещения.

е) темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения (в фотодиодном режиме).

ж) интегральная (общая) чувствительность

где – фототок, – поток электромагнитного излучения.

Известно несколько типов фотодиодов.

P-i-n фотодиод

В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности (используются в СВЧ технике). Эти фотодиоды имеют недостаток — сложность получения высокой чистоты i-области.

Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки).

Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.

Лавинный фотодиод

В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Лавинные фотодиоды за счет лавинного пробоя обладают очень высокой чувствительностью к обнаружению лучистого потока.

Светодиоды

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) —излучает некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к полупроводникам, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона, например, GaAs или InP, ZnSe или CdTe. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

• Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом.
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных к вибрациям составляющих).
• Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий.

В настоящее время уже созданы мощные светодиоды, способные работать в качестве осветительных устройств.

Другие типы диодов

Кроме рассмотренных в лекции диодов существуют другие типы диодов:

• Солнечный элемент Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.
• Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.
• Лавинно-пролётный диод. Диод, работающий за счёт лавинного пробоя.
• Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.
• Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
• Смесительный диод — предназначен для перемножения двух высокочастотных сигналов.

Лекция 7

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистором называется управляемый преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, предназначенный для усиления мощности электрического сигнала. Под термином «сигнал» следует понимать возникающую разность потенциалов, то есть напряжение. Мощность электрического сигнала (в самом простом определении) это произведение силы тока на напряжение.

Биполярные транзисторы

Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа и внутренней структуры.

Транзисторы по внутренней структуре принято делить на:

· биполярные, в которых ток создаётся двумя типами носителей – положительно заряженными дырками и отрицательно заряженными электронами (две полярности); эти транзисторы управляются током;

· полевые, в которых ток создаётся только основными носителями (это могут быть или электроны либо дырки) и управляются транзисторы электрическим полем.

Дата добавления: 2016-10-30 ; просмотров: 2140 | Нарушение авторских прав

Полупроводниковый p-n–переход образуется на границе раздела полупроводников p- и n–типов (рис. 1.4). Такая двухслойная p-n структура получается путем введения в один из слоев монокристалла кремния (германия) акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси.

При этом при комнатной температуре атомы акцепторов и доноров можно считать полностью ионизированными, т.е. акцепторные атомы присоединяют к себе электроны, превращаясь в отрицательные ионы примеси, создавая при этом дырки, а донорные атомы отдают свои электроны, которые становятся свободными, превращаясь при этом в положительные ионы примеси. Кроме основных носителей зарядов в каждом из слоев имеются неосновные носители зарядов, создаваемые путем перехода электронов основного полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. На практике распространение получили p-nструктуры с неодинаковой концентрацией внесенных акцепторнойN _А и донорнойN _Д примесей, т.е. неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слояхp _p ≈N_A иn _n ≈N _Д . Типичными являются структуры с

N _А >>N _Д (p _p >>n _n ). На рис.1.4, б на примере германия показано распределение концентрации носителей заряда для таких структур, где принятыp _p = 10 18 см -3 ,n _n = 10 15 см -3 . Концентрация собственных носителей заряда в германии при комнатной температуреn _i = 2,5 10 13 см -3 . Концентрация неосновных носителей заряда значительно меньше концентрации основных и составляетn _р = 10 9 см -3 , p _n = 10 12 см -3 . Вp-nструктуре на границе раздела слоёв из-за разности концентраций возникает диффузионное движение основных носителей заряда во встречном направлении. Дырки из р области диффундируют вn-область, электроны изn-области в р-область.

Дырки, вошедшие в n-область, рекомбинируют с электронами этой области, а электроны, вошедшие в р-область, — с дырками р-области. Вследствие диффузии и рекомбинации, в обеих приграничных областях концентрации основных носителей заряда снижаются.

Важнейшим следствием диффузионного движения носителей заряда через границу раздела полупроводников является появление в приграничных областях объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей. Так в р-слое создается нескомпенсированный отрицательный объемный заряд за счет оставшихся отрицательных ионов акцепторных атомов примеси. В n-слое — нескомпенсированный положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами донорных атомов примеси. Толщина слоя объемного зарядаL ₀ составляет доли микрометров. Этот слой ввиду отсутствия носителей заряда имеет очень высокое сопротивление (r = 10 9 …10 10 Ом). Поэтому его еще называют запирающим слоем. Область объемного заряда называется p-n-переходом.

В виду наличия объемного заряда в p-nпереходе создаются внутреннее электрическое поле Е(x) и контактная разность потенциалов φ_к(x). Внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером φ₀(рис 1.4, в) создает тормозящее действие для основных носителей заряда, что приводит к снижению плотности диффузионного токаJ_ДИФ. В тоже время оно является ускоряющим для несновных носителей, создающих встречный дрейфовый ток с плотностьюJ_ДРчерезp-nпереход. Эти два тока уравнивают друг друга и результирующий ток черезp-nпереход равен нулю. Величина потенциального барьера (контактная разность потенциалов) составляет при комнатной температуре для германия

φ ₀ = 0,3 …0,5 В, а для кремния φ₀ = 0,6 …0,8 В.

 _к=_n-_p=_т,

где — тепловой (термический) потенциал: при комнатной

температуре (Т = 290 К ; _т= 0,025 В;

k = 1,380662 · 10 -23 Дж/К — постоянная Больцмана;

е = 1,6021892 ·10 -19 Кл — заряд электрона;

n_np_p— концентрации основных носителей заряда в n- и р-областях соответственно;

n_i— концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике.

Подключение к полупроводниковой структуре внешнего напряжения U_Априводит к изменению условий переноса зарядов черезp-nпереход. Внешнее напряжение может быть подключено в прямом (плюсом источника к выводу р-области и минусом кn-области) и обратном направлении (плюсом источника к выводуn-области и минусом кp-области). В случае прямого подключения источника, создаваемое им электрическое поле направлено встречно внутреннему полю в переходе, что приводит к уменьшению результирующего поля вp-nпереходе и снижению величины объемного заряда (поскольку объемному заряду вp-nпереходе будет отвечать результирующее напряжение φ₀ –U_A, меньшее, чем в отсутствии внешнего источника). Это приведет к увеличению диффузионного тока при неизменном дрейфовом токе. Плотность результирующего прямого тока черезp-nпереход

. (1.1)

С повышением внешнего напряжения диффузионный ток будет возрастать, так как потенциальный барьер будет уменьшаться, и все большее число основных носителей заряда будет способно преодолеть p-nпереход. Прямой токI_A равен произведению плотности токаJ_A черезp-nпереход на площадь его сеченияS.

При подключении к p-nпереходу источника внешнего напряжения в обратном направленииU_B,создаваемое им электрическое поле будет направлено согласно с внутреннем полемp-nперехода. Это приведет к возрастанию потенциального барьера, который станет равным φ₀ +U_В. Вследствие этого увеличится объемный заряд в p-nпереходе и его ширина, что затруднит прохождение основных носителей заряда. Произойдет снижение диффузионного тока при практически неизменном значении дрейфового тока. Однако теперь он будет превышать диффузионный ток. Через диод будет протекать ток в обратном направлении (обратный ток)

. (1.2)

Поведение диода описывается вольт-амперной характеристикой (ВАХ), приведенной на рис. 1.5.

Вольт-амперная характеристика может быть записана в аналитической форме :

где I_S =SJ_ДР — ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда; φ_т – тепловой потенциал. ПриU= 0, согласно выражения (1.3),I_A = 0. При приложении прямого напряжения (U=U_A > 0) единицей можно пренебречь и зависимостьI_A =f(U_A) будет иметь экспоненциальный характер. В случае обратного напряжения (U=U_B ( T – T ₀ ) / 10 C . (1.5)

Из (1.5) следует, что обратный ток удваивается при повышении температуры на каждые 10 ○ С. Следовательно, при обратном включенииp-nпереход можно использовать, например, в качестве датчика температуры.