2.7. Вольт-амперна характеристика ідеалізованого едп

Електронно-діркові переходи широко використовують як базові структури напівпровідникових приладів, а тому визначають вхідні та вихідні параметри таких компонентів електронних схем. Для їх оцінки важливою є характеристика залежності між напругою, яка діє на електродах приладу, і струмом – вольт-амперна характеристика. Для спрощення процедури виведення ВАХ аналізують ідеалізований p-n перехід.

Рівняння ВАХ ідеалізованого p-n переходу має вигляд :

, (2.5)

де I₀ – струм екстракції або струм насичення ; φ_T - температурний потенціал (при кімнатній температурі φ_T =0,026 В).

Рівняння ВАХ дозволяє одержати вираз для прямого І_F та зворотного І_R струмів p-n переходу. При прямому зміщенні зовнішня напруга, як правило, буде U_F > 3 φ_T. Тому одиницею в дужках можна знехтувати. Залежність між струмом та прямою напругою відображається експонентою:

. (2.6)

Такому виразу відповідає несиметрична та нелінійна ВАХ (рис.1.6).

Це – найважливіша характеристика p-n переходу, вона широко використовується при аналізі напівпровідникових приладів і подана в розд.3.2.

2.8. Ємнісні властивості p-n переходу

Процеси накопичення, розосередження, генерації та регенерації, які відбуваються безпосередньо в переході та за його межами, обумовлюють інерційність електричних перетворень. Дійсно, якщо на ЕДП подати сходинку напруги або струму, то перехідні процеси пробігають так, як в електричних колах з конденсаторами. Особливості електричних процесів у p-n переході дозволяють виділити дві складові повної ємності( ): бар’єрну та дифузійну.

Бар’єрна ємність. У запірному шарі ЕДП по обидва боки від металургійної межі виникають однакові за значенням, але протилежні за знаком об'ємні заряди іонів домішок. Залежно від прикладеної напруги змінюється товщина цього шару d (рис. 2.4) і, як наслідок, значення зарядів. Тобто маємо систему, аналогічну зарядженому конденсатору з діелектриком, функцію якого виконує збіднений шар. Ємність, створену цими процесами, називають бар’єрною. Вона збігається з ємністю плоского конденсатора з відстанню між обкладками, що дорівнює товщині запірного шару d. Вплив цієї ємності переважно виявляється при зворотному вмиканні p-n переходу. При збільшенні модуля зворотної напруги d збільшується, бар’єрна ємність - зменшується. Підвищення концентрації домішок збільшує ємність, оскільки відстань між обкладками зменшується.

Залежність ємності від зворотної напруги називається вольт-фарадною характеристикою. Властивість p-n переходу змінювати ємність шляхом зміни напруги використовується для побудови особливого типу напівпровідникових діодів - варикапів.

Дифузійна ємність. При прямій напрузі виявляються дві фізичні причини, що зумовлюють ємність p-n переходу. Перша з них полягає у зміні зарядів у збідненому шарі, що враховується за допомогою бар'єрної ємності, друга – в тому, що за рахунок інжекції змінюється концентрація носіїв у нейтральних зонах поблизу межі переходу, і значення заряду, накопиченого цими носіями. Цей процес відтворюється за допомогою дифузійної ємності. Така назва вказує на те, що зміна зарядів неосновних носіїв відбувається в результаті дифузії.

Дифузійна ємність експоненціально зростає при збільшенні прямої напруги, і при невеликих прямих напругах (для кремнію 0.4 ... 0.5В) дифузійна ємність Сдиф значно перевищує бар'єрну Сбар. При менших напругах, коли значно наростає струм рекомбінації, дифузійна ємність стає меншою від бар’єрної і нею нехтують. Отже, повна ємність p-n переходу становить суму двох складових:

, (2.6) причому C_бар впливає при зворотному вмиканні, а С_дф - при прямому.

Наявність цих ємностей та їхні значення враховуються при створенні напівпровідникових приладів, призначених для роботи у високочастотних та швидкодіючих радіоелектронних пристроях, коли тривалість процесів накопичення – розосередження є сумарною з періодом зміни інформаційних сигналів або з їх тривалістю.