63 Вахпд.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электронный прибор, от приложенного напряжения. Вольт-амперной характеристикой называют также и график этой зависимости.

Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а ВАХ имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называют линейными. Приборы, для которых ВАХ не является прямой линий, проходящей через начало координат называются нелинейными. Диод представляет собой пассивный нелинейный электронный прибор.

В ольт-амперная характеристика диода описывается выражением I=I₀[exp(U_Д/_T)-1], где I₀ – тепловой ток (обратный ток, образованный за счет неосновных носителей; U_Д – напряжение на p-n-переходе; _T – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе на p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T=300 K, _T=0.025 В).

При отрицательных значениях напряжения менее 0,1 В в выражении (1) пренебрегают единицей, и обратный ток диода определяется значением теплового тока. По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток резко возрастает по экспоненте. Поэтому ВАХ, имеет вид, приведенный на рисунке 3

Рассмотренная характеристика является теоретической ВАХ диода. Она не учитывает рекомбинационно-генерационных процессов, происходящий в объеме и на поверхности p-n-перехода, считая его бесконечно тонким и длинным. ВАХ реального диода, имеет вид, приведенный на рисунке 3 (сплошная линия).

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, т. к. при увеличении напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет вверх со все большой крутизной. Но при некотором значении напряжения запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становиться почти линейной.Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно.

64 Переход метал-пп.

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с электронно-дырочным переходом применяют­ся также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой заботы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов мо­жет выйти из данного тела.

Е сли в контакте металла с полу­проводником п-типа (рис. 2.5, а) работа выхода электронов из металла А_м мень­ше, чем работа выхода из полупровод­ника А_т то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные но­сители (электроны), и этот слой стано­вится обогащенным, т. е. в нем увели­чивается концентрация электронов. Со­противление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напря­жения, и, следова­тельно, такой переход не обладает выпрямляющими свойства­ми. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом. Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 2.5,6), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (А_п < А_м). В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном на­правлении, и в при­граничном слое полу­проводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дыр­ками), имеющая малое сопротивле­ние. Рис. 2.5, в. Если в контакте металла с полупровод­ником п-типа А_п < А_м, то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полу­проводника образуется область, обед­ненная основными носителями и поэто­му имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер. Такой переход обладает вы­прямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немец­кий ученый В. Шотки, и поэтому потен­циальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером — диодами Шоттки

65 P-N переход при внешнем источнике питания.

П усть источник внешнего напряже­ния подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа. Такое напряжение, у которого поляр­ность совпадает с полярностью основ­ных носителей, называется прямым. Дей­ствие прямого напряжения и_пр, вызы­вающее прямой ток i_пр через переход. Электрическое поле, создаваемое в n-p переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами Е_к и Е_пр. Результи­рующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе умень­шается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диф­фузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть понижен­ный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит глав­ным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на n-p переход из п- и р-областей. Если пренебречь паде­нием напряжения на сопротивлении областей п и р, то напряжение на переходе можно считать равным и_к - и_пр.. При прямом напряжении i_диф>> i_др и поэтому полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю: i_др= i_диф-i_др>0

Введение носителей заряда через по­ниженный под действием прямого напря­жения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Область полу­проводникового прибора, из которой ин­жектируются носители, называется эмит-терной областью или эмиттером.А об ласть, в которую инжектируются не­основные для этой области носители заряда, называется базовой областью или базой. Таким образом, если рас­сматривать инжекцию электронов, то n-область является эмиттером, а р-область - базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а базой — n-область. Обычно концентрация примесей, а следовательно, и основных носителей в п- и р-областях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из об­ласти с более высокой концентрацией основных носителей преобладает. Соот­ветственно этому области и называют «эмиттер» и «база».

66 P-N переход без внешнего источника питания.

О бласть на границе двух полупро­водников с различными типами электро­проводности называется электронно-ды­рочным или п — р-переходом. Электронно-дырочный переход обладает несим­метричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа боль­шинства полупроводниковых приборов I диоды, транзисторы и др.) основана на использовании свойств одного или нескольких п - р-переходов. Пусть внешнее напряжение на пере­ходе отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупровод­нике совершают беспорядочное тепло­вое движение, т. е. имеют собственные скорости, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Как и при любой другой диффузии, например в газах и жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их концентра­ция больше, туда, где их концентрация меньше. Таким образом, из полупро­водника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны, а в об­ратном направлении из полупроводни­ка р-типа в полупроводник n-типа диф­фундируют дырки. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объем­ные заряды различных знаков. В об­ласти п возникает положительный объем­ный заряд. Он образован главным об­разом положительно заряженными ато­мами донорной примеси и в неболь­шой степени — пришедшими в эту об­ласть дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заря­женными атомами акцепторной примеси и, отчасти, пришедшими сюда электро­нами.В n-p переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. В p-n переходе концентрация электронов и дырок плавно уменьшается. В результате этого в средней части перехода образуется слой с малой конц. носителей (т.н. обедненный носителями слой). Можно рассматривать слой, как результат действия эл. поля контактной разности потенциалов. Это поле «выталкивает» из пограничных слоев подвижные носители: электроны перемещаются в область-n, а дырки в-p.Таким образом в n-p переходе возникает слой, наз. запирающим.

67 P-N переход при прямом напряжении.

Пусть источник внешнего напряже­ния подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа. Такое напряжение, у которого поляр­ность совпадает с полярностью основ­ных носителей, называется прямым. Дей­ствие прямого напряжения и_пр, вызы­вающее прямой ток i_пр через переход. Электрическое поле, создаваемое в n-p переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами Е_к и Е_пр. Результи­рующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе умень­шается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диф­фузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть понижен­ный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит глав­ным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на n-p переход из п- и р-областей. Если пренебречь паде­нием напряжения на сопротивлении областей п и р, то напряжение на переходе можно считать равным и_к - и_пр.. При прямом напряжении i_диф>> i_др и поэтому полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю: i_др= i_диф-i_др>0 Введение носителей заряда через по­ниженный под действием прямого напря­жения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Область полу­проводникового прибора, из которой ин­жектируются носители, называется эмит-терной областью или эмиттером.А об ласть, в которую инжектируются не­основные для этой области носители заряда, называется базовой областью или базой. Таким образом, если рас­сматривать инжекцию электронов, то n-область является эмиттером, а р-область - базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а базой — n-область. Обычно концентрация примесей, а следовательно, и основных носителей в п- и р-областях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из об­ласти с более высокой концентрацией основных носителей преобладает. Соот­ветственно этому области и называют «эмиттер» и «база».

68. P-N переход при обратном напряжении.

П усть источник внешнего напряже­ния подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным — к об­ласти р (рис. 2.4, а). Под действием такого обратного напряжения и_обр через переход протекает очень небольшой обратный ток i_o6p, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. На рис. 2.4, а это показывают одина­ковые направления векторов E_к и Е_обр. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна u_к + u_о6р (рис. 2.4, б). Уже при небольшом повышении барьера диффу­зионное перемещение основных носите лей через переход прекращается, т. е.iдиф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоле­ния барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадаю­щих на п — р-переход из п- и р-об-ластей. Выведение неосновных носителей через п — р-переход ускоряющим электри­ческим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией но­сителей заряда (слово «экстракция» озна­чает «выдергивание, извлечение»).

Таким образом, обратный ток i_обр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопро­тивление запирающего слоя при обрат­ном напряжении очень велико. Действи­тельно, при повышении обратного на­пряжения поле в месте перехода стано­вится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «вы­талкивается» из пограничных слоев в глубь п- и р-областей. Поэтому с уве­личением обратного напряжения уве­личивается не только высота потен­циального барьера, но и толщина за пирающего слоя (d_о6р > d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно воз­растает, т. е. R_обр»R_пр. Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным. Это объясняется тем, что число неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает и обратный ток увеличивается, а обрат­ное сопротивление уменьшается.