2. Вольтамперная характеристика р-п перехода

Если к р-п переходу, находящемуся в термодинамическом равновесии, приложить электрическое поле Е₊ , направленное противоположно диффузионному Е_Диф (плюсом к полупроводнику р-типа, а минусом к полупроводнику п-типа), то высота потенциального барьера понизится на величину приложенного напряжения U₊, а ширина области пространственного заряда уменьшится (рис.1.2 б):

(1.6)

Такое смещение называют прямым. В этом случае, все большее число основных носителей заряда смогут преодолеть потенциальный барьер и попасть в соседнюю область, где они являются неосновными носителями заряда. Это приводит к появлению относительно большого тока через р-п переход. Таким образом, через р-п переход происходит инжекция неосновных носителей заряда в область, примыкающую к р-п переходу. Ту область, в которую происходит инжекция неосновных носителей заряда, называют базой. В тоже время обратный процесс переноса неосновных носителей заряда из базы останется незначительным.

Тогда полный ток через р-п переход при прямом смещении будет равен:

(1.7)

где J_s – обратный ток насыщения.

Из этого выражения следует, что при прямом смещении ток через р-п переход резко возрастает с увеличением приложенного напряжения.

Если к р-п переходу, находящемуся в термодинамическом равновесии, приложить электрическое поле Е_- , направленное вдоль диффузионного Е_Диф (минусом к полупроводнику р-типа, а плюсом к полупроводнику п-типа), то высота потенциального барьера повысится на величину приложенного напряжения U_- (рис.1.2 б). Ширина области пространственного заряда увеличится согласно (1.6), при замене в этом выражении U₊ на –U_-.

Такое смещение называют обратным. В этом случае, основные носители заряда не смогут преодолеть потенциальный барьер и попасть в соседнюю область. В тоже время для неосновных носителей заряда потенциальный барьер вообще отсутствует. Несновные носители под действием электрического поля втягиваются в область р-п перехода и проходя через него попадают в соседнюю область. Происходит так называемая экстракция неосновных носителей заряда. При этом через р-п переход будет протекать незначительный обратный ток, поскольку концентрация неосновных носителей в области базы незначительна.

Тогда полный ток через р-п переход при обратном смещении будет равен:

(1.8)

Обратный ток насыщения J_s имеет тепловое происхождение и значительно зависит от температуры:

(1.9)

где D_n, μ_n, L_n – коэффициент диффузии, подвижность и диффузионная длина электронов в полупроводнике п-типа, соответственно;

D_р, μ_р, L_р – коэффициент диффузии, подвижность и диффузионная длина дырок в полупроводнике р-типа соответственно;

ρ_n, ρ_р - удельное сопротивление полупроводника п-типа и р-типа, соответственно;

n_i – концентрация собственных носителей заряда в полупроводнике.

Зависимость тока от величины приложенного к р-п переходу напряжения называют вольтамперной характеристикой (ВАХ) перехода (рис.1.3). Таким образом, выражения (1.7) и (1.8) описывают ВАХ р-п перехода соответственно при прямом и обратном смещении. Как следует из рис.1.4 на ВАХ р-п перехода можно выделить три параметра перехода: обратный ток J_s и обратное U_Обр и прямое U_Пр падение напряжения. Таким образом, р-п переход обладает выпрямляющими свойствами, т.е. проводит ток в одном направлении. Однако, при повышении напряжения на обратносмещенном р-п переходе может возникнуть его пробой.

Под пробоем р-п перехода подразумевают резкое возрастание тока в нем при больших обратных напряжениях. Существует три вида пробоя: туннельный (зенеровский), лавинный и тепловой.

Туннельный пробой в обратносмещенном переходе связан с туннелированием носителей заряда через тонкий потенциальный барьер. При этом резко возрастает ток обратносмещенного р-п перехода.

Лавинный пробой происходит в толстых обратносмещенных р-п переходах, когда возникает ударная ионизация и лавинное размножение носителей заряда.

Тепловой пробой обусловлен разогревом р-п перехода при прохождении обратного тока в условиях, когда тепловыделение не компенсируется теплоотводом. На ВАХ возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и чаще всего р-п переход выходит из строя.

Лавинный и туннельный пробой используются при создании определенных типов диодов: стабилитронов, туннельных и лавинно-пролетных диодов.