Особенности вольт-амперной характеристики реальных р—n-переходов32

При выводе уравнения (2.18) не учитывался ряд явлений, имеющих место в реальных р—n- переходах. Поэтому вольтамперные характеристики реальных переходов лишь приближенно описываются этими уравнениями. Основные отличия заключаются в следующем.

В области объемного заряда р—n- перехода, как и в лю­бом другом объеме полупроводникового материала, происхо­дят генерация и рекомбинация носителей, причем реальная ширина³³ этой области такова, что генерация или рекомбина­ция носителей в ней во многом определяет параметры вольт-амперной характеристики р—n- перехода в области относи­тельно малых токов через переход.

Как известно, для большинства полупроводниковых мате­риалов справедливы ловушечные механизмы генерации и ре­комбинации носителей, а интенсивность этих процессов опре­деляется концентрацией свободных носителей и ловушек.

При обратном смещении концентрация свободных носите­лей тока в области объемного заряда мала и рекомбинация носителей здесь маловероятна. В связи с этим большинство ловушек в этой области оказывается свободным, что приво­дит к увеличению скорости генерации носителей. Появляю­щиеся здесь электроны и дырки под действием сил электри­ческого поля перехода выносятся из области объемного заряда, не успевая прорекомбинировать. При этом электроны пе­ребрасываются в область n, а дырки в область р, создавая дополнительную составляющую обратного тока — ток термогенерации .³⁴

Очевидно, что количество генерированных в переходе но­сителей пропорционально объему области объемного заряда, т. е. ее ширине l. Так как l изменяется с изменением U, то с увеличением обратного напряжения ток растет пропорционально для резкого и для плавного пере­хода (рис. 2.11)³⁵.

Поверхностные токи утечки также влияют на обратный ток р—n-перехода. Ток поверхностной утечки обусловлен тем, что в месте выхода р—n-перехода на поверхность кри­сталла всегда имеются посторонние примеси, пленки окислов, влага и т. д., которые повышают поверхностную проводи­мость полупроводника и шунтируют р—n-переход³⁶. При повышении напряжения ток утечки увеличивается примерно по линейному закону (рис. 2.11).

В результате при обратном смещении полный ток через переход оказывается равным

(2.23)

Причем растет с ростом об­ратного напряжения. В случае германиевых переходов домини­рующим среди этих составляющих является тепловой ток , а для кремниевых р—n-перехо­дов определяется током тер­могенерации .

При достаточно больших об­ратных напряжениях резко возрастает за счет пробоя пере­хода. Пробой перехода будет рассмотрен ниже.

Рис. 2.11. Вольтамперные ха­рактеристики идеализированно­го и реального р—n-переходов

Прямое смещение р—n пере­хода сопровождается повышением концентрации подвижных носителей в области объем­ного заряда за счет протекания прямого тока. Увеличение концентрации носителей в переходе повышает степень запол­нения ими ловушек, что повышает вероятность рекомбина­ции. При прямом смещении перехода крутизна потенциаль­ного барьера уменьшается, и носители, не способные преодолеть барьер, приникают в переход гораздо глубже. При этом в переходе могут рекомбинировать не только те носи­тели, которые имеют энергию большую, чем потенциальный барьер, и проходят область объемного заряда, но и носите­ли с меньшей энергией. Последние, проникая в область объ­емного заряда, попадают в ловушку, которая затем захва­тывает носитель противоположного знака. В результате та­кой рекомбинации оказывается, что прямой ток через р—n- переход переносят и те носители, энергия которых меньше высоты потенциального барьера .³⁷Т.е. в области ма­лых прямых токов (сравнимых с ) вольтамперная характеристика перехода идет круче, чем это следует из экспонен­циальной формулы (2.18) (рис. 2.11).

С ростом прямого тока ловушки заполняются носителями и рекомбинация в области объемного заряда становится не­заметной на фоне тока инжекции основных носителей; вольтамперная характеристика подчиняется уравнению (2.18).

При дальнейшем увеличении прямого тока начинает ска­зываться падение напряжения на объемах р- и n- областей, которое складывается с падением напряжения на самом пе­реходе. Вольтамперная характеристика вновь отклоняется от экспоненты, переходя почти в прямую линию (рис. 2.11)³⁸