21 Влияние температуры на вах p-n-перехода

Вольтамперные характеристики p-n-перехода для двух значений температуры окружающей среды приведены на рис. 2.6.  С ростом температуры падает прямое напряжение на p-n-переходе при заданном токе и растет обратный ток при заданном напряжении.

  Прямой ток p-n-перехода определяется ПОНЗ, который зависит от величины потенциального барьера в p-n-переходе. Увеличение температуры приводит к уменьшению потенциального барьера, а следовательно,  к увеличению прямого тока.

Обратный ток p-n-перехода определяется ПННЗ. Увеличение температуры приводит к увеличению скорости тепловой генерации, концентрация неосновных носителей заряда в полупроводнике растет, а следовательно,  растет обратный ток.

Для количественной оценки влияния температуры на ВАХ p-n-перехода используют два параметра.

Температурный коэффициент напряжения (ТКН) показывает, на сколько изменится прямое напряжение на p-n-переходе (U) при заданном изменении температуры Т при постоянном токе через  p-n-переход:

 .

Для германиевых p-n-переходов ТКН  -2 мВ/град, для кремниевых p-n-переходов ТКН   -3 мВ/град.

Температура удвоения обратного тока p-n перехода Т^* позволяет рассчитать обратный ток i_ОБР(Т₀ + Т) при возрастании температуры на Т по известному значению обратного тока при заданной температуре Т₀.

i_ОБР(Т₀ + Т) = i_ОБР(Т₀)·2^Т/Т*.

Для германиевых p-n-переходов обратный ток удваивается на каждые  10C (Т* = 10C) , для кремниевых - Т* = 8C.

22 Как влияет сопротивление базы на ход прямой ветви характеристики p-n перехода?

Под прямой ветвью ВАХ реального p-n перехода понимается зависимость прямого тока перехода от величины прямого напряжения: Iпр=f(Uпр), которая описывается выражением:

и должна быть экспоненциальной как показано пунктиром на рис.9, на котором сплошной линией изображена прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода.

На прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода оказывают влияние: материал полупроводника, используемый для изготовления p-n перехода; сопротивление базы p-n перехода; температура окружающей среды.

Характеристика близка к экспоненциальной только в начале зависимости, а далее рост тока при увеличении прямого напряжения замедляется и характеристика становится более пологой - участок АВ ВАХ. Этот участок характеристики называют омическим, поскольку здесь оказывает влияние объемное сопротивление базы r_Б p-n перехода. Ток, протекая через r_Б , создает падение напряжения:

,

с учетом которого уравнение ВАХ принимает вид:

.

Объемное сопротивление базы находится по формуле ,

где _Б - удельное электрическое сопротивление полупроводника области базы; W_Б - ширина базы; S - площадь сечения базы.

Рис.9. Прямая ветвь ВАХ p-n перехода: 1 – идеальный p-n переход; 2 – реальный p-n переход

Влияние объемного сопротивления базы на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода проявляется в виде смещения прямой ветви в сторону больших

значений прямых напряжений. Поэтому, чем больше r_Б, тем положе идет прямая

ветвь ВАХ реального p-n перехода, как и отмечено на рис.9. Как правило, p-n

переходы с большими значениями r_Б выполняются для повышения высоко-вольтности, то есть для увеличения допустимого рабочего обратного напряжения на p-n переходе.

Даже при одинаковых условиях: одинаковая концентрация примесей; постоянная температура окружающей среды, ВАХ p-n переходов, выполненных из разных полупроводниковых материалов, различны. Главная причина этого отличия - различное значение ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов.

23,24

Под обратной ветвью вольтамперной характеристики реального p-n перехода

понимается зависимость обратного тока от значения обратного напряжения: Iобр

= f(Uобр). Данная зависимость приведена на рис.11. Отличие реальной обратной

ветви ВАХ p-n перехода от идеальной состоит в следующем: обратный ток

растет при увеличении обратного напряжения p-n перехода и имеет значение

большее I_о. Это объясняется тем, что в реальном p-n переходе обратный ток

содержит несколько составляющих:

Iобр=I_о+Iт/г+Iу,

где I_о - ток насыщения или тепловой ток; Iт/г - ток термогенерации; Iу - ток

у течки.

Рис.10. Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ p-n перехода:

1 – Т₁=+20С; 2 – Т₂=+50С

Следует отметить, что обратный ток кремниевых p-n переходов много меньше обратного тока германиевых p-n переходов. Это связано с различием ширины запрещенной зоны: Wз _Ge=0,72 эВ; Wз _Si=1,12 эВ. Обратный ток определяется в основном неосновными носителями заряда, имеющими место в примесном полупроводнике. Так, например, в полупроводнике n-типа это дырки – p_n, которые определяются в соответствии с законом действующих масс: p_n = n_i²/n_n  n_i²/Nд. Известно, что n_{i Ge}10¹³см^-3, а n_{i Si}10¹⁰см^-3 и при равной концентрации примеси получаем, что концентрация неосновных носителей заряда в кремниевом полупроводнике на шесть порядков меньше, чем в германиевом примесном полупроводнике, а это приводит к значительной разнице значений обратного тока.

Рис.11. Обратная ветвь ВАХ реального p-n перехода

Обратный ток германиевого p-n перехода включает составляющие: Iобр_Ge   Iо +Iу ,а обратный ток кремниевого p-n перехода - Iобр_Si  Iт/г+Iу . Для германиевых p-n переходов обратный ток в основном определяется током насыщения и имеет величину десятки микроампер. Ток термогенерации у них мал и им обычно пренебрегают. Незначительный наклон обратной ветви ВАХ германиевых p-n переходов обусловлен током утечки. Обратный ток кремниевого p-n перехода примерно на три, четыре порядка меньше обратного тока германиевого перехода. Объясняется это тем, что ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, а концентрация неосновных носителей заряда оказывается на шесть порядков ниже. Поэтому ток I_о в кремниевом p-n переходе пренебрежимо мал, а ток термогенерации невелик из-за малого объема p-n перехода, ток утечки при современной технологии изготовления p-n перехода имеет незначительную величину. Отсюда в целом обратный ток кремниевого p-n перехода имеет небольшое значение.