4.1.3. Отличие реального p-nперехода от идеального

В реальном p-nпереходе существенное влияние на вид ВАХ оказывают последовательное объемное сопротивление базы, а также процессы рекомбинации и генерации носителей заряда, происходящие в запирающем слое. Отличие ВАХ реальногоp-nперехода от идеального иллюстрируются на рис. 4.7.

Прямая ветвь ВАХ.В реальномp-nпереходе учитывается сопротивление базыr_б≈10…100 Ом. При этом внешнее напряжение распределяется между запирающем слоем и базовой областью. Тогда в (4.12) вместоUнадо подставитьU - Ir_б. В результате

,

или (4.16)

При малых прямых токах второе слагаемое в (4.16) можно не учитывать. Однако с ростом тока падение напряжения на базе может превысить падение напряжения на p-nпереходе, при этом на ВАХ появится почти линейный участок, На рис. 4.7 показаны ВАХ кремниевого идеализированного (1) и реального (2)p-nпереходов. Видно, что приU≤0,5 В ток очень мал и в линейном масштабе воспринимается равным нулю.

Дифференциальное сопротивление реального перехода при прямом смещении равно

.

Если I>>φ_т/r_б, тоr_диф≈ r_б– постоянно и ВАХ линейна. Этим пользуются на практике для нахождения сопротивления базы путем измерения дифференциального сопротивления.

Прямой ток при небольшом значении прямого напряжения (менее 0,4 В) складывается из двух составляющих:

I_пр=I+I_рек,

где I– ток инжекции, определяемый из выражения (4.13),– рекомбинационная составляющая прямого тока, - коэффициент,R– скорость рекомбинации носителей, с^-1.

Природа рекомбинационной составляющей прямого тока обусловлена процессами рекомбинации носителей заряда в запирающем слое, обедненном носителями заряда.

В выражении для I_рек скорость рекомбинации носителей

, (4.17)

где τ – время жизни носителей в p-nпереходе,V_зап=S_p-nl_зап– объем запирающего слоя,S_p-n – площадьp-nперехода,l_зап– его ширина.

Следовательно, в реальном p-nпереходе ток при малых прямых напряжениях больше, чем в идеализированном. Ток рекомбинации важен при работе кремниевых биполярных транзисторов, особенно в интегральных схемах в области малых токов (и при пониженных температурах).

Обратная ветвь ВАХ. В запирающем слоер–nперехода непрерывно идет процесс термогенерации носителей. При приложении кp-nпереходу обратного напряжения дырки и электроны, образующиеся в результате генерации, выводятся электрическом полем запирающего слоя и движутся в этом поле в противоположных направлениях: электроны – в сторонуn– области, а дырки – в сторонур– области. Дрейфовое движение носителей образуетток генерации I_г=qG, где- скорость генерации носителей в запирающем слое, остальные обозначения те же, что и в (4.17).

Ток генерации пропорционален концентрации собственных носителей заряда, то есть I_г~n_i ~. Он увеличивается с ростом обратного напряжения из-за расширения запирающего слояl_зап.

Ток генерации I_гсовпадает по направлению с обратным тепловым токомp-nперехода,I₀. Величина этого тока определятся в соответствии с выражением (4.13):

.

Из закона равновесия масс следует, что концентрации неосновных носителей определяются соотношениями

; .

Поэтому , илиI₀~n_i².

Из приведенных оценок следует, что отношение генерационной составляющей обратного тока I_гк тепловойI₀определяется отношением

.

Следовательно, обратный ток реального p-n перехода больше, чем идеального, поскольку кроме теплового тока I₀ течет ток генерации I_г.Дополнительный ток генерации, совпадает с обратным током p-n перехода.

Чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника Δφ_g, тем больший вклад в величину обратного тока оказывает ток генерации. Например, обратный ток генерации дляSip-nперехода (Δφ_g=1,11 В) определяется выражениемI_г≈ (10⁴…10⁵ )I₀, а дляGep-nперехода генерационная составляющая обратного тока снижается за счет уменьшения ширины запрещенной зоны полупроводника (Δφ_g=0,67 эВ) и определяется соотношениемI_г≈0,1I₀. Таким образом, если в германиевыхp-nпереходах током генерации можно пренебречь, то в кремниевыхp-nпереходах он является основной составляющей обратного тока. Поэтому на ВАХ кремниевыхp-nпереходов нет выраженного участка насыщения.

Дифференциальное сопротивление реального p-nперехода рассчитывается из выражения

,

где ,I_г0– ток генерации приU=0.

Дифференциальное сопротивление увеличивается с ростом обратного напряжения U_обри резко снижается с ростом температуры – примерно в 2 раза на каждые 10⁰ С.