Физические процессы в диоде

Как уже отмечалось, полупроводниковый диод содержит один электрический переход. Поэтому физические процессы в электронно-дырочном переходе являются процессами в идеальном диоде.

Образование p-n перехода, различия реального и идеального диодов: Наличие внутри одного кристалла соседних областей из электронного и дырочного полупроводников на границе их раздела возникает p - n -переход.

 

Равновесные условия: Материал n -типа имеет подвижные электроны и рав­ное число фиксированных положительных ионов донорной примеси, а материал p -типа содержит подвижные положительные заряды-дыр­ки и неподвижные отрицательные заряды в виде иони­зированных атомов акцепто­ров. При контакте этих двух материалов с разным типом проводимости электроны из n -области, вследствие разности значения токов термоэлектронной эмиссии, будут переходить в p -область и при переходе рекомбинировать с дырками. Уход электронов из приконтактной области электронно­го материала и рекомбинация с дырками из приконтактной области ды­рочного материала приведет к обеднению этих участков подвижными носителями и появлению нескомпенсированного положительного заряда от ионизированных атомов доноров в приконтактной области n -типа материала и отрицательного заряда от ионизированных атомов акцепторов в приконтактной области материала p -типа. В результате в месте контакта образуется ОПЗ. Это приведет к возникновению разности потенциа­лов в приконтактном слое такого направления, что она будет препятствовать дальнейшему переходу подвижных зарядов из одной области материала в другую, т. е. электро­нов из л-типа материала в материал p -типа и дырок из p -материала в n -материал, так что в состоянии равновесия ток че­рез p - n -переход будет равен нулю. Так как приконтактный слой обеднен подвижными носителями, то он будет обладать повышенным электрическим сопротивлением, вследствие чего получил название запирающего слоя p - n -перехода.

 

Состояние термодинамического равновесия элек­тронов по обе стороны p - n -перехода характеризуется энерге­тическим равенством уровней Ферми в обеих частях материа­ла. Таким образом, уровень Ферми при отсутствии внешнего смещения будет одинаковым для n - и p -областей. При этом границы зон в приконтактной области изогнут­ся на величину контактной разности потенциалов, величина ко­торой будет равна разности в положениях уровней Ферми в изолированных электронном и дырочном полупроводниках.

 

При подаче на p - n -переход внешнего напряжения можно управлять величиной внутренней разности потенциалов в пе­реходе и тем самым менять условия прохождения тока через него

Диод при подключении внешнего прямого напряжения: . При подключению к диоду прямого напряжения( прямом смещении Vg >0 ) высота потенциального барьера снижается на величину внешнего напряжения , нарушается условие равновесия, начинается инжекция носителей заряда и через переход течёт ток I пр . Прямой ток в диоде определяется, в отличии от идеализированного перехода, рядом физических процессов,протекающими не только в самом переходе, но и в базе реального диода . Данное направление называется пропускным.

 

При этом электроны из зоны проводимости n -материала попадают в зону проводимости (т. е. в ту же самую зону) p -материала, а дырки из валентной зоны p -материала попадают в валентную же зону p -материала. Этим обычный диод отличается от тун­нельного диода, где, как будет показано ниже, переход носи­телей через потенциальный барьер связан с изменением зоны их нахождения до и после перехода, что и обусловливает ряд отличительных свойств туннельного диода.

 

Диод при подключение внешнего обратного напряжения : При смене полярности внешнего напряжения (обратном смещении), ширина запирающего слоя на переходе увеличивается, растёт высота потенциального барьера растёт и переход, а следовательно, и диод характеризуется высоким сопротивлением. Через переход течёт обратный ток - общий ток проводимости, текущий в обратном направлении. Такое направление называется запирающим.

Величина обратного тока играет важную роль не только в случае подключения к диоду обратного напряжения, когда при U<0 , но и в том случае, когда диод находится под прямым напряжением. В последнем случае (U>0) и, следовательно, вид прямой ветви вольтамперной характеристики тоже зависит от I 0 .

В идеале считали, что обратный ток обусловлен только движением неосновных носителей, которые в полупроводнике образуются главным образом за счёт тепловой генерации пар зарядов. Поэтому этот ток называют тепловым. В реальных приборах тепловой ток оставляет лишь часть обратного тока, который содержит ряд других составляющих: ток генерации носителей в переходе, ток утечки и др.