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.

Рисунок 1. Прямое включение электронно-дырочного перехода

Прямое напряжение U_пр 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 U_к − U_пр. Энергетическая диаграмма p-n перехода при подаче открывающего напряжения показана на рисунке 2.

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 U_к величины U_к − U_пр. Это выражение выглядит следующим образом:

,        (1)

Так как сопротивление p-n перехода значительно больше сопротивления p- и n-областей полупроводника, то внешнее напряжение U_пр 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 I_пр, 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 p_n1 и электронов в p-области до значения n_p1.

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 U_к значением напряжения на p-n переходе U_к − U_пр. Тогда концентрация инжектированных "дырок" вблизи p-n перехода, включённого в прямом направлении, может быть рассчитана следующим образом:

        (2)

а концентрация инжектированных электронов:

        (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

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.

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 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.