Вольтамперная характеристика p-n перехода

Зависимость тока p-n перехода от приложенного к нему напряжения I=f(U) называют вольтамперной характеристикой.

Уравнение, описывающее вольтамперную характеристику p-n перехода:

Если p-n переход смещён в прямом направлении, то напряжение U берут со знаком «плюс», если в обратном – со знаком «минус».

Вольтамперная характеристика p-n перехода представлена на рис. а. Обратный ток обычно на несколько порядков меньше прямого тока. Поэтому p-n переход обладает свойством односторонней проводимости. При повышении температуры прямой ток увеличивается. Но так как он зависит от концентрации основных носителей заряда, которая растёт незначительно, то и это увеличение незначительно (см. рис. б). На обратный ток повышение температуры влияет существенно, поскольку он зависит от концентрации неосновных носителей заряда, которая при повышении температуры экспоненциально возрастает.

При прямом смещении потенциальный барьер снижается, и через него перемещаются основные носители заряда в смежную область, где они являются неосновными. Это явление называют инжекцией (инжекция). Область, из которой инжектируются носители заряда, называют эмиттером (эмиттер), а область, в которую они инжектируются, и где они являются неосновными – базой (база).

В полупроводниковых приборах концентрации примесей в разных областях кристалла разные, а, следовательно, отличаются и концентрации основных носителей заряда. Поэтому различают низкоомную и высокоомную области. Под действием поля p-n перехода неосновные для данной области носители заряда перемещаются через p-n переход в соседнюю область. Процесс выведения неосновных носителей заряда через переход под воздействием поля этого перехода при подключении p-n перехода к источнику внешнего напряжения называют экстракцией (извлечением). (высокоомная; низкоомная)

Барьерная ёмкость p-n перехода

По обе стороны от p-n перехода находятся ионизированные атомы донорной и акцепторной примесей, образующие отрицательные и положительные пространственные заряды. Тем самым напоминая конденсатор.

При изменении напряжения, приложенного к переходу, изменяется его ширина, а, следовательно, и пространственный заряд. Поэтому плоскостной p-n переход можно рассматривать как две пластины конденсатора с равными по значению, но противоположными по знаку, зарядами (Q_p=-Q_n), т. е. p-n переход обладает ёмкостью.

Ёмкость, обусловленную перераспределением зарядов в переходе, называют барьерной. Заряд зависит от напряжения, но не пропорционален ему, и ёмкость определяется как отношение приращения пространственных зарядов в p-n переходе к вызвавшему это приращение изменению напряжения.

– барьерная ёмкость (2)

В зависимости от концентрации n донорной или акцепторной примесей можно найти заряд ёмкости, где S и l – соответственно площадь и ширина p-n перехода.

– заряд ёмкости (3)

Для несимметричного p-n перехода при его прямом и обратном включении, l₀ – ширина p-n перехода в равновесном состоянии.

– ширина p-n перехода (4)

–ширина p-n перехода в равновесном состоянии (5)

Если подставить в (3) выражение (4) и продифференцировать его по напряжению, получим выражение (6). Полученное выражение определяет значение ёмкости p-n перехода, приложенного от напряжения.

(6)

В тонких слоях около границы p-n перехода возникает избыточная концентрация неосновных носителей. Для нейтрализации этого избыточного заряда из прилегающих слоёв отсасываются основные носители, число которых пополняется за счёт источника. Таким образом, в каждой области у границы p-n перехода возникают равные по значению, но противоположные по знаку заряды Q_диф.

При изменении напряжения изменяется число инжектированных носителей, а, следовательно, и заряд.

Изменение заряда на границе перехода подобно изменению зарядов на обкладках конденсатора при изменении приложенного к нему напряжения.

Ёмкость, связанную с изменением инжектированных носителей при изменении напряжения, называют диффузионной и определяют как отношение приращения инжектированного заряда в базе к вызвавшему его приращению напряжения (см. выраж. 7).

– диффузионная ёмкость (7)

Диффузионная ёмкость увеличивается с увеличением прямого тока. Кроме того, она тем больше, чем больше время жизни неосновных инжектированных носителей заряда, так как при этом меньше рекомбинация и больше носителей накапливается у границы p-n перехода. При подключении к p-n переходу обратного напряжения перераспределение зарядов вследствие экстракции незначительно, поэтому диффузионная ёмкость мала. При прямом напряжении диффузионная ёмкость значительно больше барьерной, а при обратном напряжении – наоборот. Поэтому при прямом напряжении учитывают С_диф, а при обратном – С_б.