1.7. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода
Вольт-амперная характеристика p-n-перехода – это график зависимости тока через p-n-переход в зависимости от приложенного внешнего напряжения смещения. В общем виде вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода, приведенная на рис. 1.7, представляется экспоненциальной зависимостью [7]:
(1.19)
где
– ток насыщения (тепловой ток);
S – площадь p-n-перехода;
Jдр = плотность дрейфового тока;
φТ = кТ/q – температурный потенциал;
к – постоянная Больцмана;
q – заряд электрона.
При
u
=
0, согласно соотношению (1.19), Ι
= 0.
В случае приложения прямого напряжения
(U > 0) единицей по сравнению с
величиной
можно
пренебречь и зависимость i
= f(u)
будет иметь экспоненциальный характер.
В случае обратного напряжения (u
<
0) можно не учитывать достаточно
малую величину
и тогда
.
Обратный ток (
)
зависит от концентрации носителей
заряда (1.9), имеет весьма небольшую
величину (микро- или наноамперы), но
довольно сильно зависит от температуры:
примерно удваивается при увеличении
температурыт на каждые 100
С.
Вольт-амперная характеристика реального p-n-перехода (рис. 1.7, кривая 2) несколько отличается от идеальной (рис. 1.7, кривая 1). На прямой ветви характеристики имеет место дополнительное падение напряжения на омическом сопротивлении полупроводника, вследствие чего характеристика идет менее круто. Обратная характеристика отличается от теоретической на участке 1 – 2 появлением дополнительного тока утечки, а на участках 3 – 4 – 5 – возникновением пробоя p-n-перехода и его разрушением при дальнейшем развитии пробоя. Механизм пробоя зависит от материала ПП и концентрации примесей.
Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей заряда в p-n-переходе в результате ударной ионизации атомов электронами, ускоряемыми сильным полем обратносмещенного p-n-перехода. Он развивается в широких p-n-переходах, где в промежутке между столкновениями с атомами кристалла электроны приобретают энергию, достаточную для их ионизации.
Рис. 1.7. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода
Туннельный пробой обусловлен непосредственным отрывом валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образовавшиеся при этом дополнительные заряды увеличивают ток через p-n-переход.
Туннельный пробой развивается в узких p-n-переходах, где, при сравнительно небольшом обратном напряжении, имеет место высокая напряженность поля. Лавинный и туннельный механизмы пробоя являются обратимыми и сопровождаются появлением почти вертикального участка 3 – 4 на рис. 1.7, который используется в полупроводниковых стабилитронах.
Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в p-n-переходе при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно и, ввиду неоднородности p-n-перехода, обычно носит локальный характер. Тепловой пробой является необратимым.