3. Ток утечки

Ток утечки Iу обусловлен поверхностными энергетическими уровнями, которые способствуют активной генерации – рекомбинации, а также проводимостью поверхностных молекулярных и ионных пленок, шунтирующих p-n переход (это могут быть молекулы окислов основного материала, молекулы газов, воды, ионы водорода и т.п.). Ток утечки слабо зависит от температуры окружающей среды и линейно возрастает при изменении обратного напряжения. Почти линейный участок зависимостиIу(U) можно охарактеризовать эквивалентным сопротивлением утечкиRу. Характерной особенностью тока утечки является его временная нестабильность, которую часто называют «ползучестью». Ползучесть проявляется в изменении обратного тока в течение некоторого времени после скачкообразного изменения обратного напряжения, в частности после его включения.

На основании рассмотрения составляющих обратного тока p-n перехода можно принять следующее решение. Обратный ток германиевого p-n перехода включает составляющие: Iобр_Ge   I₀+Iу ,

а обратный ток кремниевого p-n перехода – Iобр_Si   Iт/г+Iу .

На рис. 8 приведены примерные зависимости составляющих обратного тока германиевого p-n перехода и обратные ветви ВАХ для двух температур окружающей среды.

Для германиевых p-n переходов обратный ток в основном определяется током насыщения и имеет величину десятки микроампер. Ток термогенерации у них мал и им обычно пренебрегают. Незначительный наклон обратной ветви ВАХ германиевых p-n переходов обусловлен током утечки.

На рис. 9 приведены примерные зависимости составляющих обратного тока кремниевого p-n перехода и обратные ветви ВАХ для двух температур окружающей среды.

Обратный ток кремниевого p-n перехода примерно на три, четыре порядка меньше обратного тока германиевого перехода. Объясняется это тем, что ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, а концентрация неосновных носителей заряда оказывается на шесть порядков ниже. Поэтому ток I₀в кремниевом p-n переходе пренебрежимо мал, а ток термогенерации невелик из-за малого объема p-n перехода, ток утечки при современной технологии изготовления p-n перехода имеет незначительную величину. Отсюда в целом обратный ток кремниевого p-n перехода имеет намного меньшее значение, чем в германиевом переходе.

Рис. 8. Обратные ветви ВАХ германиевого p-n перехода

Рис. 9. Обратные ветви ВАХ кремниевого p-n перехода

3. Эквивалентные схемы реального p-n перехода

Эквивалентной называется схема, составленная из идеальных элементов (индуктивность L, емкостьC, сопротивленияR, r, источник тока, источник напряжения) и обладающая теми же свойствами, что и исходный объект в рамках решаемой задачи, но более удобная для анализа.

В зависимости от решаемой задачи эквивалентные схемы p-n перехода могут быть различными. Некоторые из них представлены на рис. 10.

a)

I=I₀(e^U/φ_T-1)

I

б)

R

в)

г)

д)

Рис. 10. Эквивалентные схемы p-n перехода

1. Для диапазона постоянных токов p-n переход может быть представлен источником тока с заданной ВАХ (рис. 10, а).

2. Для фиксированного значения постоянного тока p-n переход представляет собой сопротивление постоянному току R = U/I, которое определяется законом Ома (рис. 10, б).

3. Если амплитуда приложенного гармонического напряжения удовлетворяет неравенству (режим малого сигнала), то реальный p-n переход можно описать эквивалентной схемой в виде линейного двухполюсника, это так называемая эквивалентная схема p-n перехода по переменному току или малосигнальная эквивалентная схема (рис. 10, в). Схема содержит дифференциальное сопротивление p-n переходаr_пер, диффузионную емкостьCдиф, барьерную емкостьСбар, объемное сопротивление базыr_Б(если переход является симметричным, то вместоr_Бнадо учесть сопротивление объемаp- иn-областей).

Характеристика инерционных свойств перехода с помощью емкостей особенно удобна в случае малых переменных сигналов, действующих на фоне больших постоянных смещений. При этом емкости оказываются почти линейными и наглядно дополняют эквивалентную схему p-n перехода.

Сопротивление утечки r_утучитывает реальную обратную ветвь ВАХ (ток утечки).

При прямом смещении p-n перехода следует полагать, что Сбар<<Cдиф, дифференциальное сопротивлениеr_{пер пр}мало и соизмеримо сr_Бпоэтому эквивалентная схема может быть упрощена (рис. 10, г).

При обратное смещении выполняются неравенства Сбар>>Cдиф,r_{пер обр}>> r_Б(для идеальной ВАХ p-n переходаr_{пер обр}→∞) и эквивалентная схема имеет вид, показанный на рис. 10, д.