§ 5. Выпрямление на полупроводниковом переходе
Теперь
мы покажем, как получается, что
-переход действует как выпрямитель.
Если мы к переходу приложим напряжение одного знака, то пойдет большой ток,
если другого - тока почти не будет. А если к переходу приложить переменное
напряжение, то ток пойдет только в одну сторону - он «выпрямится». Посмотрим
еще раз, что получается в условиях равновесия, описанных кривыми фиг. 12.9. В
материале
-типа
имеется высокая концентрация
положительных носителей. Эти
носители повсюду диффундируют, и некоторое их количество каждую секунду
приближается к переходу. Этот ток положительных носителей, достигающих
перехода, пропорционален
. Большая часть их, однако,
разворачивается обратно, не будучи в состоянии взять высокий потенциальный холм
у перехода, и только доля
их проходит дальше. Имеется также
ток положительных носителей, приближающихся к переходу с другой стороны. Этот
ток тоже пропорционален плотности положительных носителей в
-области, но здесь
плотность носителей намного ниже плотности в
-области. Когда положительные
носители приближаются из
-области к переходу, они обнаруживают
перед собой холм с отрицательным склоном и сходу соскальзывают под гору, на
-сторону перехода.
Обозначим этот ток
. В условиях равновесия токи в обе
стороны одинаковы. Значит, можно ожидать, что будет выполняться следующее
соотношение:
. (12.12)
Вы
замечаете, что оно на самом деле совпадает с (12.10). Мы просто вывели его
другим способом.
Допустим,
однако, что мы снизили напряжение на
-стороне перехода на величину
- это можно
сделать, приложив к переходу внешнюю разность потенциалов. Теперь разница в
потенциалах по обе стороны потенциального холма уже не
, а
. У тока положительных
носителей из
-области
в
-область
теперь в показателе экспоненты будет стоять именно эта разность потенциалов.
Обозначая этот ток через
, имеем
.
Этот
ток превосходит ток
в
раз. Значит, между
и
существует
следующая связь:
. (12.13)
Ток
из
-области
при приложении внешнего напряжения
растет по экспоненте. А ток
положительных носителей из
-области остается постоянным, пока
не слишком
велико. Достигая барьера, эти носители по-прежнему будут видеть перед собой
идущий под гору потенциал и будут все скатываться в
-область. (Если
больше
естественной разности потенциалов
, положение может измениться, но что
случается при таких высоких напряжениях, мы рассматривать не будем.) В итоге
ток положительных носителей
, текущий через переход, будет
определяться разницей токов в обе стороны:
. (12.14)
Дырочный
ток
течет
в
-область.
Там дырки диффундируют в самую глубь
-области и могут, вообще говоря,
аннигилировать на основной массе отрицательных носителей электронов. Убыль
электронов, теряемых при этой аннигиляции, восполняется током электронов из
внешнего контакта материала
-типа.
Когда
, то и
ток в (12.14) равен нулю. Если
положительна, ток с напряжением
резко растет, а если
отрицательна, знак тока меняется, но
экспоненциальный член вскоре становится пренебрежимо малым, и отрицательный ток
никогда не превышает
- величины, которая, по нашему
предположению, очень мала. Этот обратный ток
ограничен той слабой плотностью,
которой обладают неосновные носители в
-области перехода.
Если
вы проведете в точности тот же анализ для тока отрицательных носителей,
текущего через переход, сперва без внешней разности потенциалов, а после с
небольшой приложенной извне разностью потенциалов
, то для суммарного электронного тока
вы опять получите уравнение, похожее на 12.14). Поскольку полный ток есть сумма
токов носителей обоего рода, то (12.14) применимо и к полному току, если только
отождествить
с
максимальным током, который может течь при перемене знака напряжения.
Вольтамперная
характеристика (12.14) показана на фиг. 12.10. Она демонстрирует нам типичное
поведение кристаллических диодов, подобных тем, которые применяются в
современных вычислительных машинах. Нужно только заметить, что (12.14)
справедливо лишь при невысоких напряжениях. При напряжениях, сравнимых с
естественной внутренней разностью потенциалов
(или превышающих ее), в игру входят
новые явления и ток уже не подчиняется столь простому уравнению.
Фиг. 12.10. Зависимость тока через
переход от приложенного к нему напряжения.
Быть
может, вы вспомните, что в точности такое же уравнение мы получили, говоря о
«механическом выпрямителе» - храповике и собачке [см. гл. 46 (вып. 4)]. Мы
получали те же уравнения, потому что лежащие в их основе физические процессы
весьма схожи.