Тепер ми покажемо, як виходить, що p—n-перехід діє як випрямляч. Якщо ми до переходу прикладемо напругу одного знака, то піде великий струм, якщо іншого — струму майже не буде. А якщо до переходу прикласти змінну напругу, то струм піде тільки в один бік — він «випрямиться». Погляньмо ще раз, що виходить за умов рівноваги, описаних кривими фіг. 12.9. У матеріалі p-типу є висока концентрація Np позитивних носіїв. Ці носії всюди дифундують, і якась їх кількість щосекунди наближається до переходу. Цей струм позитивних носіїв, що досягають переходу, пропорційний Np . Більша частина їх, однак, розвертається назад, не в змозі подолати високий потенціальний пагорб біля переходу, і тільки частка е–qV/kT їх проходить далі. Є також струм позитивних носіїв, що наближаються до переходу з іншого боку. Цей струм теж пропорційний густині позитивних носіїв в n-області, але тут густина носіїв набагато нижча за густину в р-області. Коли позитивні носії наближаються з n-області до переходу, вони виявляють перед собою пагорб з негативним схилом і відразу зісковзують під гору, на р-сторону переходу. Позначимо цей струм I0. За умов рівноваги струми в обидва боки однакові. Отже, можна очікувати, що виконуватиметься таке співвідношення:
Зображення
Ви помічаєте, що воно насправді збігається з (12.10). Ми просто вивели його іншим способом.
Припустімо, однак, що ми знизили напругу на n-стороні переходу на величину ΔV — це можна зробити, приклавши до переходу зовнішню різницю потенціалів. Тепер різниця в потенціалах по обидва боки потенціального пагорба вже не V, a V—ΔV. У струму позитивних носіїв з р-області в n-область тепер у показнику експоненти стоятиме саме ця різниця потенціалів. Позначаючи цей струм через I1, маємо
Припустімо, однак, що ми знизили напругу на n-стороні переходу на величину ΔV — це можна зробити, приклавши до переходу зовнішню різницю потенціалів. Тепер різниця в потенціалах по обидва боки потенціального пагорба вже не V, a V—ΔV. У струму позитивних носіїв з р-області в n-область тепер у показнику експоненти стоятиме саме ця різниця потенціалів. Позначаючи цей струм через I1, маємо
Зображення
Цей струм перевищує струм I0 у e–qΔV/kT разів. Отже, між I1 і I0 існує такий зв'язок:
Зображення
Струм з р-області при прикладенні зовнішньої напруги ΔV зростає по експоненті. А струм позитивних носіїв з n-області залишається постійним, доки ΔV не занадто велике.
Досягаючи бар'єру, ці носії, як і раніше, бачитимуть перед собою потенціал, що йде під гору, і всі скочуватимуться в p-область. (Якщо ΔV більше за природну різницю потенціалів V, становище може змінитися, але що трапляється за таких високих напруг, ми розглядати не будемо.) У підсумку струм позитивних носіїв /, що тече через перехід, визначатиметься різницею струмів в обидва боки:
Досягаючи бар'єру, ці носії, як і раніше, бачитимуть перед собою потенціал, що йде під гору, і всі скочуватимуться в p-область. (Якщо ΔV більше за природну різницю потенціалів V, становище може змінитися, але що трапляється за таких високих напруг, ми розглядати не будемо.) У підсумку струм позитивних носіїв /, що тече через перехід, визначатиметься різницею струмів в обидва боки:
Зображення
Дірковий струм I тече в n-область. Там дірки дифундують у саму глиб n-області і можуть, взагалі кажучи, анігілювати на основній масі негативних носіїв електронів. Убуток електронів, які втрачаються при цій анігіляції, поповнюється струмом електронів із зовнішнього контакту матеріалу n-типу.
Коли ΔV = 0, то й струм у (12.14) дорівнює нулю. Якщо ΔV позитивна, струм з напругою різко зростає, а якщо ΔV негативна, знак струму змінюється, але експоненційний член незабаром стає нехтовно малим, і негативний струм ніколи не перевищує I0 — величини, яка, за нашим припущенням, дуже мала. Цей зворотний струм I0 обмежений тією слабкою густиною, якою володіють неосновні носії в n-області переходу.
Якщо ви проведете точнісінько такий самий аналіз для струму негативних носіїв, що тече через перехід, спершу без зовнішньої різниці потенціалів, а потім з невеликою прикладеною ззовні різницею потенціалів ΔV, то для сумарного електронного струму ви знову отримаєте рівняння, схоже на (12.14). Оскільки повний струм є сума струмів носіїв обох родів, то (12.14) застосовне й до повного струму, якщо тільки ототожнити I0 з максимальним струмом, який може текти при зміні знака напруги.
Вольт-амперна характеристика (12.14) показана на фіг. 12.10. Вона демонструє нам типову поведінку кристалічних діодів, подібних до тих, які застосовуються в сучасних обчислювальних машинах. Потрібно тільки зауважити, що (12.14) справедливе лише за невисоких напруг. За напруг, порівнянних з природною внутрішньою різницею потенціалів V (або таких, що перевищують її), у гру вступають нові явища, і струм уже не підпорядковується такому простому рівнянню.
Можливо, ви пригадаєте, що точнісінько таке саме рівняння ми отримали, говорячи про «механічний випрямляч» — тріскачку і собачку [див. розд. 46 (вип. 4)]. Ми отримували ті самі рівняння, тому що фізичні процеси, які лежать в їх основі, дуже схожі.
Коли ΔV = 0, то й струм у (12.14) дорівнює нулю. Якщо ΔV позитивна, струм з напругою різко зростає, а якщо ΔV негативна, знак струму змінюється, але експоненційний член незабаром стає нехтовно малим, і негативний струм ніколи не перевищує I0 — величини, яка, за нашим припущенням, дуже мала. Цей зворотний струм I0 обмежений тією слабкою густиною, якою володіють неосновні носії в n-області переходу.
Якщо ви проведете точнісінько такий самий аналіз для струму негативних носіїв, що тече через перехід, спершу без зовнішньої різниці потенціалів, а потім з невеликою прикладеною ззовні різницею потенціалів ΔV, то для сумарного електронного струму ви знову отримаєте рівняння, схоже на (12.14). Оскільки повний струм є сума струмів носіїв обох родів, то (12.14) застосовне й до повного струму, якщо тільки ототожнити I0 з максимальним струмом, який може текти при зміні знака напруги.Вольт-амперна характеристика (12.14) показана на фіг. 12.10. Вона демонструє нам типову поведінку кристалічних діодів, подібних до тих, які застосовуються в сучасних обчислювальних машинах. Потрібно тільки зауважити, що (12.14) справедливе лише за невисоких напруг. За напруг, порівнянних з природною внутрішньою різницею потенціалів V (або таких, що перевищують її), у гру вступають нові явища, і струм уже не підпорядковується такому простому рівнянню.
Можливо, ви пригадаєте, що точнісінько таке саме рівняння ми отримали, говорячи про «механічний випрямляч» — тріскачку і собачку [див. розд. 46 (вип. 4)]. Ми отримували ті самі рівняння, тому що фізичні процеси, які лежать в їх основі, дуже схожі.