4 Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Зависимость величины тока через переход от приложенного напряжения отражает его вольтамперная характеристика, рис.3.4.

Теоретически доказано, что вах. p-n перехода описывается выражением:

Рис.3.4. Вольтамперная характеристика p-n перехода

(3.10)

Поскольку I_пр(10³…10⁵)I₀, то можно говорить о практически односторонней проводимости p-n перехода, что хорошо видно из вольт-амперной характеристики p-n перехода.

Прямая ветвь ВАХ. При напряжениях U>0 малейшее изменение напряжения вызывает существенное изменение тока.

Различают два режима работы перехода — нормальный, когда ток порядка миллиампера, и микрорежим, когда ток порядка микроампера.

В зависимости от диапазона токов прямые напряжения несколько различаются, но в пределах диапазона их можно считать постоянными и рассматривать как своего рода параметр открытого кремниевого перехода.

U* называют напряжением открытого перехода. При комнатной температуре в нормальном режиме U* = 0,7 В, а в микрорежиме U* = 0,5 В. Напряжение U* зависит от температуры при неизменном токе.

Один из важнейших параметров прямой ветви ВАХ — дифференциальное сопротивление перехода. Для начального (невырожденного) участка

(3.11)

Или, с учетом конечными приращений

(3.12)

дифференциальное сопротивление перехода r_p-n есть сопротивление для приращений тока ΔI, малых по сравнению с постоянной составляющей тока I, определяющей величину r_p-n. Типичным значением является r_p-n = 25 Ом, соответствующее току I =1 мА.

Обратная ветвь ВАХ.

Реальный обратный ток перехода намного превышает величину I₀, предсказываемую выражением (3.10). Причиной этого является, прежде всего, генерация электронно-дырочных пар в области обратносмещенного перехода. Составляющую обратного тока, обусловленную этим явлением, называют током термогенерации.

Процессы генерации и рекомбинации носителей происходят во всех частях диода — как в нейтральных слоях n и р, так и в области перехода. В равновесном состоянии скорости генерации и рекомбинации везде одинаковы, поэтому направленных потоков носителей нет. Когда к переходу приложено обратное напряжение, область перехода дополнительно обедняется носителями. Поэтому рекомбинация здесь замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыточные генерируемые носители уносятся электрическим полем в нейтральные слои: электроны в n-слой, дырки в р-слой. Эти потоки и образуют ток термогенерации I_G.

Ток термогенерации зависит от обратного (запорного) напряжения и температуры, он на 4—5 порядков больше тока I₀.

Выводы по лекции

Электрическим переходом называют переходной слой в полупроводнике между двумя областями с различными типами или величинами удельной электропроводности.

Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом проводимости обладает выпрямляющими или вентильными свойствами: она гораздо лучше пропускает в одном направлении, чем в другом.

Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и по соотношению удельных сопротивлений слоев.

Диффузия основных носителей приводит к образованию на границе n- и p‑областей объемного заряда в виде двойного электрического слоя, образованного ионами акцептора и донора.

Когда источник внешнего напряжения подключен плюсовым выводом к p‑области, а минусовым выводом к n-области, то такое включение p-n перехода в электрическую цепь называется прямым.

В случае противоположного включения – обратным.

реальный обратный ток перехода намного превышает величину I₀, предсказываемую аналитическим выражением для вольтамперной характеристики. Причиной этого является, прежде всего, генерация электронно-дырочных пар в области обратносмещенного перехода.

Электронно-дырочный переход является основой полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров и многих других приборов.

Лекция №8: Явления на границах полупроводник-металл и полупроводник-диэлектрик, гетеропереходы