Прямое включение pn-перехода

Прямое включение p-n перехода образуется когда положительный полюс источника питания подключается к р-области полупроводника, а отрицательный полюс — к n-области. При обратной полярности источника питания включение p-n перехода называют обратным. Прямое включение p-n перехода показано на рисунке 1.

Прямой p-n переход
Рисунок 1. Прямое включение электронно-дырочного перехода

Прямое напряжение Uпр создает в p-n переходе внешнее электрическое поле, направленное навстречу его собственному полю. Напряженность суммарного поля в запирающем слое уменьшается, и уровни Ферми в полупроводнике смещаются таким образом, что потенциальный барьер уменьшается до значения UкUпр. Энергетическая диаграмма p-n перехода при подаче открывающего напряжения показана на рисунке 2.

Прямой p-n переход - смещение уровней Ферми
Рисунок 2. Энергетические зоны полупроводника в районе p-n перехода при подаче прямого напряжения

Протекание прямого тока, осуществляемого основными носителями заряда, приводит к сужению запирающего слоя. Ширина запирающего слоя может быть найдена из соотношения для p-n перехода в состоянии равновесия, подстановкой вместо Uк величины UкUпр. Это выражение выглядит следующим образом:

формула определения толщины pn-перехода. Прямое смещение,        (1)

Так как сопротивление p-n перехода значительно больше сопротивления p- и n-областей полупроводника, то внешнее напряжение Uпр почти полностью падает на p-n переходе. В результате уменьшения потенциального барьера в соседнюю область из-за диффузии переходит большее количество основных носителей зарядов, что приводит к увеличению диффузионного тока. Дрейфовый ток при этом не меняется, так как он определяется количеством неосновных носителей на границе p-n перехода. Оно зависит только от степени очистки полупроводника и температуры кристалла.

Увеличение диффузионного тока через p-n переход при том же значении дрейфового тока приводит к нарушению термодинамического равновесия, описываемым выражением (3) в статье "Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия". В результате через переход будет проходить прямой ток Iпр, определяемый диффузией основных носителей зарядов.

Дополнительная диффузия носителей зарядов под воздействием внешнего напряжения приводит к тому, что на границе p-n перехода повышаются концентрации "дырок" в n-области до значения pn1 и электронов в p-области до значения np1.

Повышение концентраций неосновных носителей в p- и n-областях под воздействием внешнего напряжения, приложенного к электронно-дырочному переходу, получило название инжекции неосновных носителей. Область, из которой происходит инжекция, получила название эмиттер (излучатель — англ.), а область, в которую осуществляется инжекция — базой.

Концентрацию инжектированных носителей заряда очень важно узнать в таких электронных приборах, как биполярный транзистор. Поэтому важно научиться ее рассчитывать. Для расчёта можно воспользоваться формулами определения концентрации неосновных носителей (6) и (7), которые мы получили при анализе контактной разности потенциалов p-n перехода. Заменим Uк значением напряжения на p-n переходе UкUпр. Тогда концентрация инжектированных "дырок" вблизи p-n перехода, включённого в прямом направлении, может быть рассчитана следующим образом:

Концентрация инжектированных дырок для n-области вблизи p-n перехода        (2)

а концентрация инжектированных электронов:

Концентрация инжектированных электронов для p-области вблизи p-n перехода        (3)

Выводы:

  1. ширина p-n перехода уменьшается;
  2. ток через открытый электронно-дырочный переход подчиняется экспоненциальному закону;
  3. при протекании тока через p-n переход вблизи его резко увеличивается проводимость полупроводника (за счет инжекции).

Дата последнего обновления файла 08.06.2020

Литература:

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  3. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  4. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  5. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.

Вместе со статьей "Прямое включение pn-перехода" читают:

Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/

Обратное включение pn-перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/close/

Теоретическая вольтамперная характеристика p-n перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/vah_teor/

Полупроводники с электронной проводимостью
https://digteh.ru/foe/semicond/n/

Полупроводники с дырочной проводимостью
https://digteh.ru/foe/semicond/p/

Ёмкость pn-перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/c/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2020

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 82 научных и научно-методических работ, в том числе 18 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика