Через один и тот же n-p переход в зависимости от подключения могут течь разные токи: как минимум очень большой или очень маленький. Однако для техники такой классификации маловато, нужна конкретика.
Что нам важно? Ток, протекающий через переход. Что мы можем контролировать? Напряжение, которое на него подается. Соответственно, требуется формула, которая поможет связать эти две величины. Естественно, такая есть. Выглядит она довольно страшно, поэтому писать ее не буду. Важно только, что она экспоненциальная, а еще то, что она носит название уравнения Шокли в честь нобелевского лауреата и просто симпатичного дяденьки.
Для наглядного представления нужной зависимости используют ВАХ. Это не междометие, но как звучит! это вольт-амперная характеристика. Все логично, напряжение измеряем в вольтах, ток в амперах.
Ожидание
Описанная формулой идеальная вах-какая-ВАХ n-p перехода имеет следующий вид.
При прямом напряжении ток растет по экспоненте. При обратном — он течет в другом направлении, за это отвечают как раз неосновные носители заряда. Какое-то очень короткое время ток растет, а потом достигает постоянного значения, равное тепловому току неосновных носителей. Как мы помним, им для перехода никакая помощь не нужна, поэтому величина их тока зависит только от их количества. А оно зависит от температуры перехода, поэтому ток и тепловой.
Такая ВАХ легко описывается уравнением и неплохо выглядит, но формул недостаточно. Характеристика отражает зависимость тока от напряжения, и, к счастью, существуют приборы, которые могут измерять первое, и способы изменять второе.
Реальность
Банальный эксперимент показывает не такой идеальный результат.
В первую очередь бросается в глаза, что обратное напряжение все-таки приводит к росту обратного тока. Безнаказанно крутить рубильник не выйдет. Модель Шокли не учитывает тот факт, что в переходе постоянно происходит генерация и рекомбинация носителей заряда. Одни появляются, а другие сталкиваются с "законными парами" и исчезают. Пока тока нет, как мы рассмотрели ранее, эти процессы компенсируют друг друга и не представляют никакого интереса. Когда подается обратное напряжение, основные носители в каждой из областей отходят еще дальше от границ, ОПЗ расширяется.
Основных носителей в каждой области станет меньше, то есть меньше станет тех, с кем неосновные могут столкнуться. В результате больше "+" из n-области удачно доберутся до p-области и примут участие в проводимости (так же и с "-" из p-области). Чем больше обратное напряжение, тем шире станет ОПЗ и больше обратный ток. Правда, так происходит в небольшом диапазоне, а если повышать напряжение совсем нагло, обратный ток вырастет РЕЗКО. Это так называемый пробой перехода, и это тоже не всегда плохо.
Теперь обратимся к нормальному прямому подключению. Там "реальность" тоже отличается от "ожидания". Во-первых, ток растет медленнее, чем по экспоненте. На этот раз виноваты процессы рекомбинации. Ситуация зеркальна уже рассмотренной: прямое напряжение приводит к сужению ОПЗ, основных носителей вблизи перехода становится больше, поэтому вероятность столкновения с ними возрастает. Правда, это работает только при небольшом напряжении.
Когда напряжение большое, на ВАХ появляется омический участок. Это кусочек, который повинуется закону Ома, то есть выглядит как прямая пропорциональность.
Прямая пропорциональность появляется из-за того, что ток протекает не только вблизи перехода, а вообще во всем полупроводнике. В самых обычных нейтральных частях, которые далеко от перехода, действуют знакомые правила, и чем ток больше, тем весомее становится их вклад.
Итак, ВАХ n-p перехода наглядно демонстрирует его полезные свойства: ток может течь какой угодно и в обе стороны, но добиться каждой конкретной величины получится только если обеспечить жесткие и конкретные условия. А применений этим свойствам существует множество.