Меню

Дрейфовый ток в переходе образован



Дрейфовый ток

Дрейфовый ток — это направленное движение носителей в полупроводнике под воздействием электрического поля. Так как дрейфовый ток вызывается напряжением, подводимым к полупроводнику, то он часто называется током проводимости.Дрейфовый ток обеспечивается как электронами, так и дырками. В полупроводниках свободные электроны и дырки находятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупроводника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковыми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.

Протекание дрейфового тока в полупроводнике
Рисунок 1 Дрейфовый ток в полупроводнике под воздействием внешнего напряжения

При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного движения. Направленное движение носителей зарядов в электрическом поле обусловливает появление тока, называемого дрейфовым или током проводимости. Из-за столкновения носителей зарядов с атомами кристаллической решетки их движение в направлении действия электрического поля прерывисто и характеризуется подвижностью μ. Подвижность равна средней скорости υ, приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля напряженностью , т. е.

Подвижность носителей зарядов зависит от механизма их рассеивания в кристаллической решетке. Исследования показывают, что подвижности электронов μn и дырок μp имеют различное значение () и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение температуры приводит к уменьшению подвижности, что зависит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени.

Плотность тока в полупроводнике, обусловленного дрейфом свободных электронов под действием внешнего электрического поля со средней скоростью , определяется выражением .

Перемещение (дрейф) дырок в валентной зоне со средней скоростью создает в полупроводнике дырочный ток, плотность которого . Следовательно, полная плотность тока в полупроводнике содержит электронную jn и дырочную jp составляющие и равна их сумме (n и p — концентрации соответственно электронов и дырок). Подставляя в выражение для плотности тока соотношение для средней скорости электронов и дырок (1), получаем:

Если сравнить выражение плотности дрейфового тока в полупроводнике (2) с законом Ома , то удельная проводимость полупроводника определяется соотношением:

У полупроводника с собственной проводимостью концентрация электронов равна концентрации дырок (), и его удельная проводимость определяется выражением:

В полупроводнике n-типа , и его удельная проводимость с достаточной степенью точности может быть определена выражением:

В полупроводнике p-типа , и его удельная проводимость с достаточной степенью точности может быть определена выражением:

В области высоких температур концентрация электронов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижности, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.

  • дрейфовый ток это ток, который протекает в полупроводнике под воздействием внешнего источника напряжения;
  • величина дрейфового тока зависит от температуры полупроводника и растет с ростом температуры.

Дата последнего обновления файла 20.11.2019

  1. В. Н. Дулин Электронные и ионные приборы — М. — Л.: Государственное энергетическое издательство, 1963. -544 с.
  2. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. — М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  3. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  4. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  5. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  6. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.

Вместе со статьей «Дрейфовый ток» читают:

Источник

P-n переход. Диффузионный ток. Дрейфовый ток. Смещенный p-n переход. ВАХ. Пробой p-n перехода

Диоды оптоэлектроники. Светодиод, фотодиод. ВАХ. Схемы включения.

Светодиод — полупроводниковое устройство, излучающее некогерентный свет при пропускании через него электрического тока.

фотодиод полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения. Ф. представляет собой полупроводниковый кристалл обычно с электронно-дырочным переходом (рn-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус. Материалами, из которых выполняют Ф., служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и др.

ВАХ светодиода: ВАХ фотодиода:

Схемы включения фотодиода:

а) фотогальванический
б) фотодиодный

Читайте также:  Таблица силового кабеля по току

Различают 2 режима работы: фотодиодный, когда во внешней цепи Ф. содержится источник постоянного тока, создающий на р-n-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует.

P-n переход. Диффузионный ток. Дрейфовый ток. Смещенный p-n переход. ВАХ. Пробой p-n перехода.

Дырочно-электронный переход — область контакта двух полупроводников с различным типом проводимости, а также полупроводника и металла.
Вблизи контакта происходит взаимная диффузия носителей зарядов, которая приводит к образованию запирающего электрического слоя. Электрическое поле этого слоя препятствует дальнейшей диффузии носителей зарядов.
Если полупроводник n-типа соединен с положительным полюсом источником тока, а полупроводник p-типа — с отрицательным полюсом, то ширина запирающего слоя увеличивается и сопротивление p-n перехода возрастает.
При обратном подключении источника тока ширина запирающего слоя и сопротивление p-n перехода уменьшается.

Кроме направленного движения заряда, вызванного действием электрического поля, возможно направленное движение из области где концентрация носителей заряда больше в область где их концентрация ниже (диффузия). Данное явление выравнивания концентрации зарядов называется диффузионным током. Движение зарядов под действием электрического поля называется дрейфом заряда. Диффузионный ток — наличие тока заряженных частиц связанного с разностью концентраций зарядов в разных частях тела.

Дрейфовый ток — это когда носители внешнее поле тянет в каком-то направлении. Полный ток в среде вычисляется как сумма дрейфовой и диффузионной компоненты.

Смещенный p-n переход:

Если p-область p-n-перехода соединить с положительным выводом какого-либо источника напряжения (например, батареи), а n-область – с отрицательным выводом, то электроны и дырки смогут диффундировать через переход. В результате из p-области в направлении n-области потечет существенный ток. В таком случае говорят, что переход смещен в прямом направлении. При обратном смещении, когда описанные выше подсоединения имеют противоположную полярность, от области n-типа к области p-типа потечет лишь предельно малый обратный ток.

ВАХ p-n перехода:

U приложенное напряжение I ток через переход Is ток насыщения Unp напряжение пробоя

Пробой p-n перехода:

При некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем p-n перехода. Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.

Источник

Токи р-n перехода

Выше было рассмотрено диффузионное перемещение через р–п переход дырок и электронов. Этот поток носителей представляет собой диффузионный ток:

I диф = Ipp + Inn, (3)

где Ipp– ток, образованный дырками области р–типа;

I nn – ток, образованный электронами области n типа.

Поле р–п перехода, являясь тормозящим для основных носителей, а для неосновных носителей ускоряющее. Под воздействием его не основные носители перемещаются в смежную область. Их поток представляет собой дрейфовый ток:

I др =I pn + Inp, (4)

где I рn, –ток, образованный дырками области n–типа;

I np–ток, образованный электронами области р–типа.

В отсутствии внешнего электрического поля:

Для случая равновесия обозначим I диф =I од, а I др =I o и тогда

I oд = I о (6)

Следует заметить, что диффузионный и дрейфовый токи направлены в противоположные стороны, поэтому результирующий ток через р–п переход равен 0.В условиях динамического равновесия через р–п переход переходят только те свободные носители, энергия которых выше высоты потенциального барьера.

Влияние внешнего напряжения на р–п переход.

Прямое включение – источник напряжения подключен знаком «плюс» к области р–типа и «минусом» к области n–типа. Обратное включение противоположно прямому. При прямом включении электрическое поле источника напряженностью Enp направленo навстречу контактному полю Е и результирующая напряженность будет равна Е1= Е – Enp.Уменьшение напряженности поля вызовет уменьшение высоты потенциального барьера на величину прямого напряжения источника U пр= +U (см.рис.5 и 6):

Dj1 = Dj – Uпр (7)

Уменьшение высоты потенциального барьера приводит к увеличению числа основных носителей через р-n переход, т.е. к увеличению диффузионного тока:

I диф = I од . (8)

Так как I од = Iо , то можно записать

I диф = Io (9)

На величину дрейфового тока изменение высоты потенциального барьера не влияет, он остается таким же, как и в условиях равновесия. Поэтому результирующий ток через р–п переход, называемый прямым, c учетом (.9) будет равен:

Читайте также:  Какого устройство генератора постоянного тока

Iпр= Iдиф –Iо = Io ( ) (10)

Рис.6 Прямое и обратное включение p-n-перехода.

При прямом включении уменьшается ширина р-n перехода, а при обратном включение р-n перехода, ширина перехода увеличивается (см. рис.6 б)) Рассуждая аналогично можно заключить, что в этом случае результирующий ток, называемый обратным, будет равен:

I об = I o ( )… (11)

При некотором значении обратного напряжения диффузионный ток станет равен нулю, через р–п переход будет протекать только дрейфовый ток. Его величина незначительна, т.к. концентрация не основных носителей мала. Поскольку ток, образованный движением не основных носителей зависит от тепловой генерации пар носителей, его называют также тепловым. Тепловой ток называют также током насыщения, так как это предельное значение обратного тока при возрастании обратного напряжения.При обратном включении ширина рп перехода увеличивается.

Электроёмкость р–п перехода.

По обе стороны границы p-n перехода расположены атомы донорной и акцепторной примесей и образуют отрицательные и положительные пространственные заряды. Если к p-n переходу приложить напряжение, то в зависимости от его величины будет изменяться его ширина, а , следовательно, и пространственный заряд. В этой связи p-n переход можно рассматривать как две пластины конденсатора с равными по величине, но противоположными по знаку заряду, т.е. p-n переход обладает электроемкостью. Различают барьерную и диффузионную электроемкость. Барьерная электроемкость определяется:

, , (12)

где Qоб – объёмные заряды, образованные ионизированными атомами акцепторной примеси; Uоб – обратное напряжение.

Значении p-n перехода в прямом направлении из каждой области в смежную инжектируются неосновные для нее носители заряда. Это связано с диффузией зарядов при понижении потенциального барьера. Если слои тонкие, то около границы p-n перехода возникает избыточная концентрация неосновных носителей. Чтобы нейтрализовать этот заряд из прилегающих слоев отсасываются основные носители. Следовательно, в каждой области у границы p-n перехода возникают равные по значению, но противоположные по знаку заряды Qдиф. Электроемкость, которая связана с изменением инжектированных носителей при изменении напряжения, называют диффузионной. Эта электроемкость увеличивается с увеличением прямого тока, а барьерная электроемкость увеличивается при увеличении обратного тока. При расчетах p-n перехода при прямом включении учитывают Сдиф, а при обратном Сδ.

Вольтамперная характеристика р–п перехода.

Это зависимость тока проходящего через рп переход от приложенного к нему напряжению:

I = ¦(U) ( рис.7.)

Рис. 7. Вольтампермерная характеристика диода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) — это зависимость электрического тока, протекающего через диод от напряжения, приложенного к диоду. Прямой ток резко растет при небольших положительных напряжениях (UnpB). Но этот ток не должен превышать максимального значения, т.к. в противном случае произойдет перегрев диода и он выйдет из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в интервале 10В ÷ 10кВ.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Electronov.net | Библиотека

p-n переход при прямом напряжении

p-n переход при прямом напряжении

Рисунок 4 — p-n переход при прямом напряжении.

При подключении к p-n переходу внешнего электрического по­ля динамическое равновесие токов нарушается. Поведение перехода зависит при этом от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение приложено навстречу контактной разности по­тенциалов, иначе говоря, «плюс» приложен к p-области, а «минус» — к n-области, то такое включение p-n перехода называют прямым. Внешнее (прямое) напряжение почти полностью падает на p-n переходе, сопротивление которого во много раз выше сопро­тивления p- и n-областей. С увеличением прямого напряжения высо­та потенциального барьера уменьшается: U1 = Uк Uпр. Основные носители областей полупроводника, приближаясь к p-n переходу, частично компенсируют объемные пространст­венные заряды, уменьшая тем самым ширину запирающего слоя и его со­противление. В цепи про­текает электрический ток, при этом диффузионная составляющая тока через переход увеличивается, а дрей­фовая — уменьшается.

При |Uк| = |Uпр| толщина p-n пере­хода стремится к нулю и при даль­нейшем увеличении Uпр запирающий слой исчезает. Вследствие этого элек­троны и дырки (основные носители заряда в n- и p-областях) начинают свободно диффундировать в смежные области полупроводника. Увеличение диффузионной составляющей тока через p-n переход при неизменной дрейфовой составляющей приводит к нарушению термодинамического равновесия:

Читайте также:  Переменный электрический ток читать

j=<<j data-lazy-src=

Рисунок 5 — p-n переход при обратном напряжении.

При обратном включении p-n перехода внешнее напряжение приложено знаком «плюс» к n-области, а «минус» — к p-области. Создаваемое им электрическое поле совпадает по направлению с внутренним полем перехода, увеличивая высоту потенциального барьера: U1 = Uк + Uобр.

Под действием обратного на­пряжения основные носители будут отталкиваться от граничного слоя, и дрейфовать вглубь полупроводника. При этом ширина слоя, обедненного основными носителями, увели­чивается по сравнению с равно­весным состоянием. Сопротив­ление p-n перехода для прохождения тока основных но­сителей увеличивается. Проис­ходит изменение в соотношении токов через p-n переход. Диффу­зионный ток уменьшается и в предельном случае с ростом по­тенциального барьера стремится к нулю. Для неосновных носителей заряда поле в p-n переходе оста­ется ускоряющим, они захваты­ваются им и переносятся через p-n переход. Процесс переноса неосновных носителей заряда че­рез обратносмещённый p-n переход в область полупроводника, где они становятся основными носителями, называется экстракцией.

Дрейфовый ток, создаваемый неосновными носителями, на­зывается тепловым током Iт. Так как концентрация неосновных носителей относительно мала, то и ток, образуемый ими, не мо­жет быть большим. Кроме того, он практически не зависит от напряженности поля в p-n переходе, т.е. является током насыще­ния неосновных носителей. Все неосновные носители, которые подходят к p-n переходу, совершают переход через него под дей­ствием поля независимо от его напряженности. Поэтому ток Iт определяется только концентрацией неосновных носителей и их подвижностью. Концентрация неосновных носителей, а, следова­тельно, и тепловой ток сильно зависят от температуры.

По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии и поэтому результирующий ток p-n перехода равен:

<<I data-lazy-src=