3.8. Математическая модель р-п-перехода

Для учета нелинейных и инерционных свойств р-п-перехода используются достаточно сложные модели. В моделях диодов, используемых в DesignLab 8.0, учитывается более двух десятков параметров.

Для приближенного решения статических задач (без учета инерционности) можно использовать простейшие аппроксимации (кусочно-линейного типа, см. рис. 3.14) с введением характеристик дифференциальных сопротивлений на участке прямого тока r_пр и обратного тока - r_обр.

Рис. 3.14. Простейшая аппрок- симация вольт-амперной характе- ристики р-п-перехода

Линеаризованная модель р-п-перехода может быть получена путем дифференцирования уравнения ВАХ относительно некоторого режима покоя U⁰, I⁰. На основании (3.6) получим

Параметром линеаризованной модели является дифференциальное сопротивление р-п-перехода

При больших прямых токах I⁰>>I_S имеем

При обратном включении, когда I⁰= -I₀,

3.9. Переход металл-полупроводник

Такие переходы, в зависимости от соотношений уровней Ферми в металле и полупроводнике, могут иметь линейный (омический) характер или нелинейный - с преимущественно односторонней проводимостью, как у обычного р-п-перехода. Омические контакты используются в качестве электрических выводов р-п-перехода. Нелинейный контакт металл - полупроводник п-типа замечателен тем, что электроны одного приграничного слоя (например, металла), переходя в п-слой полупроводника, являются для последнего основными носителями (в противоположность тому, что было при переходе электронов из п-слоя в р-слой в р-п-переходе). Это означает, что в нелинейном контакте металл - полупроводник отсутствует процесс накопления и рассасывания неравновесных неосновных носителей, т.е. отсутствует диффузионная емкость. Следствием этого является значительно меньшая инерционность перехода металл-полупроводник. Такие переходы названы переходом Шоттки по имени ученого, предложившего их. Дополнительной особенностью переходов Шоттки является меньшее падение напряжения по сравнению с обычным р-п-переходом, что означает меньшие потери мощности при прямом включении. Единственным недостатком переходов Шоттки является значительно меньшее обратное напряжение, при котором происходит пробой.

Рис. 3.15. Воздействие оптиче- ского излучения на р-п-переход: 1 - светопроницаемое окошко; 2 - герметичный непрозрачный корпус

3.10. Влияние оптического воздействия на р-п-переход

Если обеспечить доступ оптического излучения Ф на область р-п-перехода (рис. 3.15), то за счет энергии квантов света (значение которой зависит от длины волны воздействующего светового потока) в области р-п-перехода вследствие вторичной ионизации атомов примеси возникнут свободные носители. Под действием поля потенциального барьера эти носители перейдут в соседние области (дырки - в п-слой, электроны - в р-слой). То есть заряды, образовавшиеся в результате оптического воздействия, ведут себя как неосновные носители. В результате обратный ток р-п-перехода I₀=F(U_обр) возрастает на величину фототока I_ф=F(Ф), а уравнение вольт-амперной характеристики такого р-п-перехода примет вид

(3.11)

Рис. 3.16. Вольт-амперная харак- теристика р-п-перехода при оптическом воздействии

График зависимости (3.12.) изображен на рис. 3.16. Из рис. 3.16 хорошо видно, что при обратном смещении такой р-п-переход может выполнять функцию оптически управляемого элемента

I_ф=F(Ф, U_обр),

что широко используется на практике, когда информация передается по оптическим каналам (оптоэлектроника). С другой стороны, если разомкнуть выводы р-п-перехода (I=0), то согласно (3.12) на разомкнутых концах при воздействии светового потока появляется разность потенциалов (рис 3.17).

(3.13)

Это означает, что р-п-переход в данном случае выполняет функцию преобразователя энергии светового потока в электрическую энергию.

Рис. 3.17. Генерация разности потенциалов под воздействием оптического излучения

Если к зажимам освещенного р-п-перехода присоединить нагрузку, то в ней выделится мощность за счет протекания тока (рис. 3.18)

Р_н=e_ф i_ф.

а) б)

Рис. 3.18. Графическое определение фото-ЭДС е_ф и вызванного его тока i_ф освещенного р-п-перехода:

а) схема подключения нагрузки; б) графическое определение фото-ЭДС е_ф

На основе рассмотренного явления преобразования в р-п-переходе световой энергии в электрическую строятся элементы солнечных батарей, являющихся основными источниками электроэнергии на борту космических аппаратов. К сожалению, очень низкий КПД таких элементов не позволяет пока широко использовать их в земных условиях.

Эффективность реакции р-п-перехода на оптическое воздействие зависит от длины волны (спектра). Поэтому одной из важнейших характеристик таких приборов является спектральная. Например, зависимость фототока от длины волны () оптического воздействия (рис. 3.19).

Подбором материала полупроводника можно обеспечить максимум оптической чувствительности в области видимого или инфракрасного излучения.

Естественно, что реакция р-п-перехода на оптическое воздействие является инерционной (рис. 3.20). Характеристики степени инерционности также являются важным параметром фотодиодов.

Рис. 3.19. Спектральная характе- ристика светочувствительного р-п-перехода

3.11. Р-п-переход как преобразователь электрической энергии в световой поток

Рис. 3.20. Инерционный р-п-переход при оптическом воздействии

Рис. 3.21. Р-п-переход как источник света

При прямом смещении р-п-перехода основные носители слоя п - электроны в огромных количествах переходят в слой р. Часть этих электронов рекомбинирует с дырками слоя р. Физически рекомбинация означает исчезновение пары свободных носителей: электрон из зоны проводимости “падает” в валентную зону, теряя при этом полученную ранее энергию. В зависимости от ширины запрещенной зоны эта энергия выделяется или в виде тепловой (фононы), или в виде световой (фотоны). В последнем случае р-п-переход начинает излучать свет определенной длины волны, то есть становится преобразователем электрического тока в световой поток (рис. 3.21).

В специальном конструктивном оформлении такие излучатели называются светодиодами и широко используются в современной электронике как для обработки информации (оптоэлектроника), так и в качестве оптических индикаторов.

Естественно, что светодиод обладает спектральной характеристикой, то есть максимум оптической энергии сосредоточен в узкой области оптического спектра. Например, светодиоды на основе ArGa излучают свет в инфракрасном диапазоне (1мкм).