Лекции

С ростом Ua потенциальный барьер все более снижается, а ток через переход растет. Зависимость прямого тока Ia от величины внешнего источника напряжения Ua называется прямой ветвью вольт-амперной характеристики р-n-перехода рис. 1.13.

Ia

ков, а np pn в соответствующее число раз. В результате такого

соотношения концентраций ток через р-n-переход создается в основном диффузией дырок из р-слоя в n-слой. То есть р-слой осуществляет эмиссию дырок через переход, в связи с чем он называется эмиттером. Другой слой, т.е. n – получил название базы. Под действием положительного объемного заряда неравновесных дырок в базе на границе с р-n-переходом от отрицательного полюса источника напряжения входят в базу электроны и поддерживают ее электрическую нейтральность. Таким образом, в то время, как прямой ток в р-n-переходе определяется диффузионным движением дырок, ток в основной части базового слоя и во внешнем выводе определяется дрейфовым током электронов. Описанное явление имеет место при достаточно большой ширине базового слоя или, как говорят, при «толстых» базах. При «тонких» базах, толщина которых соизмерима с диффузионной длиной дырок Lp , большин-

ство дырок успевает пройти в результате диффузии базу без рекомбинаций, а следовательно, и ток в базе определяется в этом случае в основном диффузионным током дырок. Подобные процессы идут и в слое эмиттера, однако роль электронной составляющей диффузионного тока в несимметричном р-n-переходе незначительна, а значит, и роль в токе, протекающем через эмиттер, тоже несущественна. Ток через эмиттерный слой обусловливается в основном дрейфовым током дырок ввиду существующей в этом слое напряженности электрического поля от внешнего источника напряжения. Рассмотренные процессы непрерывны, поэтому возникает ток. Плотность прямого тока через переход определяется выражением

ja jдиф. jдр. jS eUa T jS jS eUa T 1 ,

где jS – плотность тока насыщения, определяемая неосновными носителями.

Сам ток в прямом направлении определяется так:

где IS jS S jдр. S – ток насыщения (тепловой ток), создавае-

мый неосновными носителями заряда.

цей в выражении (1.19) можно пренебречь, и зависимость Ia f Ua будет иметь чисто экспоненциальный характер.

При подключении внешнего источника напряжения в обратном направлении, т.е. плюсом к слою n, а минусом к слою р, как показано на рис. 1.14, напряженность поля в переходе и его потенциальный барьер возрастают. Высота последнего становится равной0 Ub. Увеличиваются объемные заряды в р-n-переходе и его ширина. Возросший потенциальный барьер уменьшает диффузионный ток основных носителей. Дрейфовый же ток остается практически прежним, т.к. в основном определяется концентрацией неосновных носителей, а не величиной ускоряющего поля перехода. Однако дрейфовый ток теперь превышает диффузионный, т.е. динамическое равновесие нарушилось теперь в пользу неосновных носителей. Как следствие, через р-n-переход начинает протекать «обратный» ток, плотность которого определяется выражением

Физику развития обратного тока хорошо иллюстрирует картина распределения носителей заряда в областях, прилегающих к р-n-переходу(рис. 1.14).

При отсутствии инжекции (т.е. переноса дырок из слоя р в слой n и электронов в обратном направлении) концентрация неосновных носителей на границе с р-n-переходом уменьшается вследствие их ухода через р-n-переход под действием ускоряющего поля. Граничные концентрации неосновных носителей определяются выражениями, аналогичными (1.18), но с учетом знака внешнего источника напряжения, т.е.

Так как T 0,025 В, то уже при весьма малых Ub 0,1 В имеем np 0 pn 0 0.

Рис. 1.14

При снижении концентрации неосновных носителей на границе с р-n-переходом для обеспечения нейтральности полупроводника снижаются граничные концентрации и основных носителей. Однако, в связи со значительным превышением концентраций основных носителей над неосновными, последний эффект мало заметен. В результате перепада концентраций неосновных носителей возникает возможность их диффузии в пределах указанных слоев, но в обратном направлении по сравнению со случаем прямого смещения. Диффузионное движение зависит, как известно, практически только от градиента концентраций, поэтому плотность обратного тока слабо зависит от величины приложенного обратного напряжения и сам ток определяется выражением, аналогичным

(1.19), а именно:

Следует отметить, что обратный ток Ib сильно зависит от темпера-

При протекании прямого тока в р-и n-областях происходит накопление инжектированных носителей заряда, образующих пространственные заряды соответствующих знаков, величины которых прямо пропорциональны заштрихованным областям на рис. 1.12, в. Согласно закону электростатической индукции эти заряды индуцируют (притягивают) и удерживают пространственные заряды противоположных знаков, создаваемые основными носителями заряда этих областей, концентрация которых вблизи р-n-перехода повышается (заштриховано на рис. 1.12, в). В результате сохраняется электрическая нейтральность слоев р и n полупроводника, т.е. поля в объеме полупроводника нет. При несимметричном р-n- переходе, как у нас, эти процессы существенны лишь для области с пониженной концентрацией примесей (слой n), где относительные приращения концентраций неравновесных носителей существенно больше, чем для другого слоя (у нас слой р). Количество неравновесных носителей заряда, например дырок в n-области, зависит от напряжения внешнего источника Ua (см. (1.18)). Увеличение Ua приведет к увеличению неравновесных неосновных и индуцированных основных зарядов в прилегающих к р-n-переходу областях. Изменение этих зарядов при изменении Ua эквивалентно некоторой емкости, получившей название «диффузионной». Величина этой емкости определяется следующим выражением:

где Q – заряд, накапливаемый емкостью.

Если сменить полярность приложенного напряжения (приложить обратное напряжение Ub), то в начальный момент во внешней цепи появится значительный ток, обусловленный процессом рассасывания неравновесных носителей заряда, т.е. обратным переходом неравновесных зарядов, накопленных в р- и n-областях, до тех пор, пока этот ток не станет равным тепловому. Бросок обратного тока при смене полярности напряжения соответствует разрядке диффузионной емкости. Следует отметить, что перезарядка диффузионной емкости не происходит, т.к. сама эта емкость при отсутствии тока диффузии перестает существовать. Величина этой емкости пропорциональна току диффузии и времени жизни носителей:

На участке 0–1 ток растет в соответствии с выражением (1.20) и довольно быстро достигает предельного своего значения, определяемого током насыщения. На участке 1–2 и далее обратный ток растет за счет токов утечки через поверхность р-n-перехода из-за различных загрязнений, повышающих поверхностную электрическую проводимость перехода. Здесь рост обратного тока Ib линейно связан с Ub. На участке 2–3 нарушается линейность зависимости Ib от Ub в связи с генерацией носителей заряда в переходе. По мере нарастания генерации носителей заряда в переходе обратный ток начинает резко возрастать, что отражено на участке 3–5 характеристики. Явление резкого увеличения обратного тока получило название «пробоя» р-n-перехода. В зависимости от причин, вызвавших пробой, различают «электрический» пробой и «тепловой». Электрический в свою очередь подразделяется на «лавинный» и «туннельный». Лавинный пробой происходит за счет лавинного размножения носителей в р-n-переходе в результате ударной ионизации его нейтральных атомов быстрыми носителями заряда. Неосновные носители, попавшие в область пространственного заряда р-n-перехода, при достаточной напряженности электрического поля приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристалла. Возникает лавинный пробой в широких р-n-переходах, толщина которых больше средней длины свободного пробега носителя между очередными столкновениями с узлами кристаллической решетки, и при достаточно больших обратных напряжениях (обычно больше 15 В). Туннельный пробой возникает в узких переходах, образующихся при большой концентрации примесей, создающих сильное электрическое поле. При этом создается возможность перехода валентных электронов из р-области непосредственно в зону проводимости n-области без сообщения дополнительной энергии для преодоления потенциального барьера. Здесь же возможно размножение носителей за счет непосредственной ионизации атомов под действием электрического поля высокой напряженности (электростатический пробой). Эти пробои происходят при относительно невысоких обратных напряжениях (менее 7 В). Все виды электрического пробоя являются обратимыми, т.е. р-n-переход не разрушается, и при снижении Ub его свойства сохраняются.