26. Генерация и рекомбинация носителей в - -переходе

Обедненные области реальных - -переходов не могут быть бесконечно тонкими, а следовательно, необходимо учитывать результаты некоторых физических эффектов, которые могут происходить в ОПЗ при подаче на - -переход прямого или обратного напряжений.

При обратном смещении - -перехода суммарное электрическое поле в ОПЗ увеличивается и равновесие между процессами генерации и рекомбинации нарушается в пользу генерации носителей заряда. Генерация носителей заряда происходит через ловушки, имеющие энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны. Если тепловое возбуждение приведет к забросу электрона из валентной зоны на уровень ловушки, то дырка, возникшая в валентной зоне, перено­сится электрическим полем ОПЗ в -облаcть. Электрон, локализованный на ловушке, вернуться в валентную зону не может, так как там нет дырок, с которыми он может рекомбинировать. Поэтому возникает вероятность теплового возбуждения электрона в зону проводимости ОПЗ, откуда он переносится в n-область (на рисунке – генерация носителей в ОПЗ - -перехода).

В результате генерации пар н.з. образуется обратный ток генерации в ОПЗ - -перехода . Этот ток пропор­ционален объему ОПЗ ( ) и скорости генерации в нем носителей

где – время жизни, связанное с рекомбинацией избыточных носителей в области, где концентрация центров реком­бинации равна ; а – поперечное сечение захвата дырок и электронов (полагаем ); – скорость диффузии

Ток генерации совпадает по направлению с током насыщения, следовательно, суммарный ток реального - -перехода

где – ток утечки - -перехода, величина которого определя­ется опытным путем.

Предположим, что в - -переходе и , тогда

Считая, что , запишем отношение тока генера­ции к току насыщения

Следовательно:

– с увеличением ширины запрещенной зоны в обратном токе - -перехода преобладает ток генерации (в кремниевых - -переходах, в отличие от германиевых );

– если величина преобладает в обратном токе - -перехода, то c возрастанием обратного напряжения обратный ток не имеет насыщения, т.к. при увеличении ток генерации в ОПЗ растет так же, как и ширина ОПЗ

где для резкого - -перехода и для перехода с линейным распределением примеси;

– с ростом температуры значительно медленнее возрастает обратный ток - -перехода, в котором основной составляющей является ток генерации.

При прямом смещении баланс между процессами генерации и рекомбинации склоняется в сторону рекомбинации.

Если воспользоваться теорией Шокли-Холла-Рида, для простоты взять случай равных поперечных сечений захвата для дырок и элект­ронов и рассмотреть этот случай в ОПЗ при напряжении смещения, то легко показать, что скорость рекомбинации максимальна, когда

и ток рекомбинации может быть выражен как

Таким образом, в отличие от тока инжекции ток, возникающий в результате рекомбинации в ОПЗ, изменяется с приложением напряжения как . Эта экспоненциальная зависимость мо­жет наблюдаться в реальных диодах при малых плотностях тока.

Запишем отношение тока идеального диода (учитывающего только ток инжекции в результате диффузии) к току рекомбинации

Таким образом, ток рекомбинации в OПЗ становится менее значительным по отношению к току идеального диода по мере увеличения смещения. Кроме того, чем меньше содержание дефектов, тем больше значение диффузионной длины и тем больше отношение .

При типичных значениях , и рекомбинационный ток в кремниевых диодах необходимо учитывать для значений .

Таким образом, в отличие от идеального диода в реальном диоде полный ток, протекающий через - -переход, будет равен сумме токов инжекции и рекомбинации .