Номер 1272, страница 288 - гдз по физике 10 класс сборник задач Дорофейчик, Белая

1272. *Почему при одинаковом напряжении прямой ток через n-p-переход значительно больше обратного?

Разница между прямым и обратным током в n-p-переходе обусловлена его внутренним устройством и тем, какие носители заряда (основные или неосновные) создают ток в каждом из режимов работы.

На границе полупроводников n-типа (с избытком электронов) и p-типа (с избытком «дырок») формируется так называемый запирающий слой, или обедненная область. В этой области практически нет свободных носителей заряда, и возникает внутреннее электрическое поле, создающее потенциальный барьер. Этот барьер препятствует движению основных носителей заряда (электронов из n-области и дырок из p-области) через переход.

Прямой ток (прямое включение)

Когда к n-p-переходу прикладывается прямое напряжение (минус источника к n-области, плюс — к p-области), внешнее электрическое поле направлено против внутреннего поля запирающего слоя. Это приводит к уменьшению высоты потенциального барьера и сужению запирающего слоя. В результате основные носители заряда, концентрация которых велика, начинают массово проходить через переход. Их упорядоченное движение и создает значительный по величине прямой ток. Этот ток экспоненциально растет с увеличением приложенного напряжения.

Обратный ток (обратное включение)

Когда к n-p-переходу прикладывается обратное напряжение (плюс источника к n-области, минус — к p-области), внешнее поле усиливает внутреннее поле перехода. Это приводит к увеличению высоты потенциального барьера и расширению запирающего слоя. Для основных носителей заряда барьер становится практически непреодолимым. Однако в полупроводнике всегда есть небольшое количество неосновных носителей заряда (дырок в n-области и электронов в p-области), которые образуются из-за тепловой энергии. Эти немногочисленные носители «подхватываются» сильным полем в запирающем слое и движутся через переход, создавая очень слабый обратный ток (ток утечки). Поскольку концентрация неосновных носителей крайне мала, обратный ток на много порядков меньше прямого.

Вольт-амперная характеристика n-p-перехода хорошо описывается уравнением Шокли:

$I = I_S (e^{\frac{qU}{kT}} - 1)$

где $I$ — ток через переход, $U$ — приложенное напряжение, $I_S$ — обратный ток насыщения (очень малая константа), $q$ — заряд электрона, $k$ — постоянная Больцмана, $T$ — абсолютная температура. Эта формула наглядно показывает, что при прямом смещении ($U > 0$) ток растет по экспоненте, а при обратном ($U < 0$) он стремится к очень малому предельному значению $-I_S$.

Ответ: Прямой ток через n-p-переход значительно больше обратного, потому что он создается потоком основных носителей заряда (электронов и дырок), которых в полупроводнике очень много, и при прямом напряжении потенциальный барьер для них снижается. Обратный ток, напротив, создается потоком неосновных носителей, которых ничтожно мало, в то время как для основных носителей потенциальный барьер при обратном напряжении становится непреодолимым.