Лекция 14

Реальный p-n переход

При выводе уравнения ВАХ идеального p-n перехода учитывались лишь самые главные физические эффекты: инжекция и экстракция неосновных носителей заряда и их диффузия в нейтральных областях, прилегающих к p-n переходу. В реальных p-n переходах наблюдаются и другие физические эффекты, влияющие на ход ВАХ.

1. Прямая ветвь вах реального p-n перехода

Под прямой ветвью ВАХ реального p-n перехода понимается зависимость прямого тока перехода от величины прямого напряжения: Iпр= f(Uпр), которая описывается выражением

и должна быть экспоненциальной, как показано на рис. 1 (кривая 1), прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода изображена кривой 2.

На прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода оказывают влияние: материал полупроводника, используемый для изготовления p-n перехода; объемное сопротивление базы p-n перехода; температура окружающей среды; процессы генерации и рекомбинации в самом p-n переходе; уровень инжекции; реальная ширина и конфигурация p-n перехода; характер изменения концентрации примесей; толщина прилегающих областей и т.д.

Характеристика близка к экспоненциальной только в начале зависимости - участок ОА ВАХ, а далее рост тока при увеличении прямого напряжения замедляется и характеристика становится более пологой - участок АВ ВАХ. Этот участок характеристики называют омическим, поскольку здесь оказывает влияние объемное сопротивление слаболегированной области перехода – базы – r_Б.

Если сопротивление p-n перехода обозначить r_пер, то кристалл полупроводника с p-n переходом можно представить в виде последовательного соединения резисторовr_периr_Б.(рис. 1).

Рис. 1. Распределение внешнего напряжения

Ток, протекая через r_Б, создает падение напряжения:

.

При этом внешнее напряжение не полностью падает на p-n переходе, а распределяется между ним и слоем базы. С учетом этого уравнение реальной ВАХ принимает вид

.

Объемное сопротивление базы находится по формуле

,

где _Б – удельное электрическое сопротивление полупроводника области базы;W_Б– ширина базы;S- площадь сечения базы.

Влияние объемного сопротивления базы на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода проявляется в виде смещения прямой ветви в сторону больших значений прямых напряжений. Поэтому, чем больше r_Б, тем положе идет прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода, как и отмечено на рис. 2. Как правило, p-n переходы с большими значениямиr_Б выполняются для повышения «высоковольтности», то есть для увеличения допустимого рабочего обратного напряжения на p-n переходе.

Рис. 2. Прямая ветвь ВАХp-nперехода: 1 – идеальныйp-nпереход; 2 – реальныйp-nпереход

Даже при одинаковых условиях (одинаковая концентрация примесей; постоянная температура окружающей среды) ВАХ p-n переходов, выполненных из разных полупроводниковых материалов, различны. Главная причина этого отличия – различное значение ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов. Чтобы появился прямой ток, необходимо уменьшить величину потенциального барьера. Для этого на p-n переход нужно подать прямое напряжение, близкое к значению контактной разности потенциалов. В p-n переходе на основе германия _К = 0,3…0,4 В, в p-n переходе на основе кремния_К = 0,6…0,8 В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия_К = 1,0…1,2 В, поэтому прямая ветвь ВАХ кремниевого p-n перехода относительно германиевого смещается вправо на (0,3…..0,5) В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия это смещение ВАХ происходит еще больше, что и отражено на рис. 3.

Сдвиг вправо прямых ветвей ВАХ кремниевых и арсенидо-галлиевых p-n переходов объясняется из уравнения ВАХ тем, что

I_0Si<<I_0Ge, I_0GaAs<<I_0Si,

следовательно для протекания одинакового прямого тока должно выполняться соотношение

Uпр _Si>Uпр _Ge и Uпр _GaAs>Uпр _Si.

Рис. 3. Прямые ветви ВАХp-nпереходов, изготовленных из разных материалов

С увеличением температуры окружающей среды растет прямой ток p-n перехода. Выражение для прямого тока можно записать в виде

,

используя выражение для I₀, можно записать выражение для прямого тока в виде

.

Отсюда следует, что при увеличении температуры экспонента, а значит и прямой ток увеличивается, так как показатель экспоненты отрицателен .

Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода представлено на рис. 4.

Для оценки влияния температуры вводится температурный коэффициент напряжения прямой ветви под которым понимается величина, показывающая, на сколько изменится прямое напряжение для получения одной и той же величины прямого тока при изменении температуры на 1 градус.

ТКНпр = Uпр/TприIпр = const.

По ВАХ, приведенным на рис. 3, температурный коэффициент напряжения прямой ветви определяется формулой

ТКНпр = Uпр /T= (Uпр₂-Uпр₁) / (T₂-T₁) приIпр = Iпр₁

Обычно ТКНпр - (13) мВ /С.

Рис. 4. Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ p-n перехода: 1 –Т₁ = +20С; 2 –Т₂ = +50С

Как видно, значение ТКНпр меньше нуля. Физическое объяснение этого факта сводится к следующему. При увеличении температуры уменьшается контактная разность потенциалов (а значит, и потенциальный барьер), энергия основных носителей заряда возрастает, следовательно, возрастает количество основных носителей, энергия которых больше потенциального барьера, соответственно растет диффузионная составляющая тока и прямой ток увеличивается (рис. 4 при фиксированном значении Uпр =Uпр₂прямой ток возрастает от значенияIпр₂ доIпр₁).