6. Реальна вах р-n-переходу

Під час розгляду теоретичної ВАХ р-n-переходу не враховувалися термогенерація носіїв у запірному шарі, поверхневі струми витоку, падіння напруги на опорах нейтральних областей НП, а також явище пробою при певних зворотних напругах. Тому реальна ВАХ переходу істотно відрізняється від теоретичної (рис. 1.18).

П ряма вітка ВАХ

Рис. 1.18. Різниця між реальною та

теоретичною ВАХ p-n-переходу

При малих прямих струмах реальна і теоретична ВАХ збігаються. При збільшенні I_пр внаслідок падіння напруги на розподіленому опорі r₁ нейтральних p- та n- областей напруга на переході зменшується в порівнянні з зовнішньою, прикладеною до омічних контактів, напругою:

U_пер < U_пр

Отже, пряма вітка реальної ВАХ переходу проходить нижче від теоретичної (рис. 1.18):

(1.40)

де - падіння напруги на розподіленому опорі r₁.

При U_пр=U_к запірний шар практично зникає (див. формулу (1.32)), і ВАХ при подальшому збільшенні U_пр має лінійний характер як на активному опорі

Зворотна вітка ВАХ

На величину струму, шо протікає через p-n-перехід, включений у зворотному напрямі, впливає явище генерації носіїв. При зовнішній напрузі U=0 між процесами генерації та рекомбінації у переході встановлюється рівновага. При U=U_зв генеровані в переході дірки та електрони виштовхуються з нього зростаючим полем

E_p-n=E_диф+E_зв. Це приводить до виникнення додаткового струму генерації I_ген, який за напрямом збігається зі зворотним струмом. При n_n0=p_p0, τ_n=τ_p=τ₀ і L_n=L_p=L₀ справедливе відношення

, (1.41)

де - товщина запірного шару.

З формули (1.41) випливає, що відносна роль генераційної складової зворотного струму зі зменшенням власної концентрації електронів n_i, тобто зі збільшенням ширини забороненої зони, а також при зростанні концентрації домішок .

Наприклад, при однакових значеннях і для германію і , а для кремнію і .

Отже, якщо в германієвих p-n-переходах струмом генерації можна знехтувати, то в кремнієвих він є основною складовою зворотного струму. Тому на ВАХ кремнієвих переходів немає ділянки насичення, яка формується за рахунок струму .

Струм , до того ж, зростає при збільшені U_зв, тому що товщина p-n-переходу, а разом з нею і опір переходу пропорційні до величини (див. (1.32)).

Складовою зворотного струму є також незначний струм поверхневого витоку І_пв, який викликається неідеальною обробкою поверхні напівпровідника біля p-n-переходу.

Таким чином, зворотний струм p-n-переходу дорівнює

I_зв=І_s+І_ген+І_пв, (1.42)

де І_s – струм насичення, і зростає при збільшенні зворотної напруги (рис. 1.18). В цьому полягає відмінність зворотної вітки реальної ВАХ від теоретичної, на якій I_зв=І_s.

При деяких досить великих на зворотній гілці реальної ВАХ з’являється ділянка пробою р-n-переходу. Явище пробою полягає в різкому зростанні зворотного струму. Існує 4 різновиди пробою: лавинний, тунельний, тепловий та поверхневий.

При лавинному пробої (рис. 1.18, крива 2) відбувається ударна іонізація нейтральних атомів збідненого шару НП неосновними носіями заряду, що розвивають під час вільного пробігу достатню кінетичну енергію. Іонізація приводить до лавинного помноження вільних носіїв і до зростання . Оскільки умовою лавинного пробою є те, що довжина вільного пробігу електрона має бути значно меншою від товщини р-n-переходу ( ), то такі пробої найбільш імовірні для широких переходів, коли НП леговано невеликою кількістю домішок.

Тунельний пробій (рис. 1.18, крива 1) виникає у вузьких р-n-переходах (при великих концентраціях домішок у НП), коли напруженість зовнішнього електричного поля в кремнію досягає 10 В/см, а в германію - В/см. Під дією сильного поля валентні електрони вириваються з ковалентних зв’язків, створюються пари “електрон-дірка”, зростає . Для дуже вузьких переходів величини напруг пробою можуть бути невеликими.

Тепловий пробій (рис. 1.18, крива 3) викликається явищем самоперегріву НП. Воно полягає в тому, що збільшення приводить до зростання температури в переході; це, у свою чергу, зумовлює додаткову термогенерацію носіїв, зростає струм і, нарешті, перехід перегрівається, кристалічна решітка руйнується. Тому пробій такого виду є незворотним і стає можливим при порушенні режиму охолодження. Ділянка АВ з негативним диференційним опором зумовлена тим, що збільшення кількості носіїв заряду веде до зменшення опору р-n-переходу і падіння напруги на ньому.

Поверхневий пробій може виникнути в місцях виходу р-n-переходу на поверхню НП, в яких створюється додатковий електричний поверхневий заряд, що значно спотворює картину поля в переході. Якщо товщина переходу біля поверхні менша від товщини переходу в глибині НП, то поверхневий пробій відбувається при менших напругах, ніж звичайно. Цю особливість необхідно враховувати при виборі захисних покриттів напівпровідникових приладів.