5.3 Температурные зависимости вах pn-перехода

Повышение температуры приводит к росту собственной концентрации,

(2.16)

а следовательно, и к росту тока насыщения (рис. 5.8),

(5.43)

Контактная разность потенциалов с ростом температуры уменьшается, т.к. при высоких температурах уровень Ферми стремится к середине запрещенной зоны и qφ_к стремится к нулю.

Поэтому стремятся использовать полупроводниковые материалы с большей запрещенной зоной (Si, GaAs, SiC).

Рис. 5.8. Изменение ВАХ при повышении температуры

5.3 Влияние генерационно-рекомбинационных процессов на вах pn-перехода.

При вводе ВАХ pn-перехода предполагалось, что генерацией носителей заряда в обедненной области шириной W можно пренебречь. Это условие действительно справедливо для полупроводников, ширина запрещенной зоны которых невелика (например, в Ge). Однако для таких материалов как Si и GaAs генерационно-рекомбинационный ток в ОПЗ может быть сравним с током насыщения диода, создаваемым неосновными носителями, и даже превосходить его.

Наибольшую роль в генерационно-рекомбинационных процессах играют центры захвата (ловушки), энергетические уровни которых расположены вблизи середины запрещенной зоны полупроводника.

При прямом смещении pn-перехода высота потенциального барьера снижается, поток основных носителей из квазинейтральных областей возрастают и внутри ОПЗ процессы рекомбинации преобладают над процессами генерации носителей.

При обратном смещении pn-перехода высота потенциального барьера увеличивается, ОПЗ обеднен основными носителями, процессы генерации преобладают над процессами рекомбинации. В результате тепловой генерации электронно-дырочных пар в ОПЗ образуется ток генерации, который складывается с током насыщения.

Ширина ОПЗ зависит от смещения:

.

(5.17)

Следовательно, весь объем ОПЗ при прямом смещении уменьшается, а при обратном смещении увеличивается. В соответствии с этими изменениями объема изменяется вклад генерационно-рекомбинационных процессов.

Согласно теории генерационно-рекомбинационного тока ВАХ описывают соотношением:

(5.39)

где m2 – параметр, зависящий, от характера распределения примесей вpn-переходе.

(5.40)

где n_i – концентрация носителей заряда в ОПЗ (допускается, что его проводимость близка к собственной), τ_eff – эффективное время жизни электронно-дырочных пар в ОПЗ, W(V_см) – ширина ОПЗ.

Для оценки эффективного времени жизни носителей в ОПЗ можно воспользоваться следующей формулой:

(5.41)

Для многих практических случает можно использовать следующие формулы:

- прямое смещение pn-перехода:

,

(5.42)

- обратное смещение pn-перехода:

.

(5.43)

Таким образом, общий ток идеального pn-перехода равен сумме диффузионной (5.37) и генерационно-рекомбинационной компонент и (5.39) (рис. 5.9).

Рис. 5.9

5.4 Барьерная емкость pn-перехода

Как следует из распределения концентрации свободных носителей, в ОПЗ резко падают, сопротивление ОПЗ велико по сравнению с квазинейтральными областями, то есть pn-переход обладает свойствами конденсатора. Барьерная емкость ступенчатого pn-перехода с площадью S может быть определена по формуле:

.

(5.44)

где ε₀ – диэлектрическая постоянная, ε_s – диэлектрическая проницаемость полупроводника, W – ширина ОПЗ.

Соответствующая зависимость барьерной емкости от напряжения, показана на рис. 5.10.

Рис. 5.10

Емкость pn-перехода может изменяться в значительных пределах, что позволило использовать это свойство в варикапах.