- •10 Полупроводниковые диоды
- •10.1 Образование электронно-дырочного перехода
- •10.2 Вольтамперная характеристика р-п перехода
- •Влияние внешних факторов на вах реальных диодов
- •10.4 Полупроводниковые диоды
- •10.4.1 Классификация диодов
- •10.4.2 Обозначения полупроводниковых диодов
- •10.4.3 Основные типы полупроводниковых диодов и их параметры
10.2 Вольтамперная характеристика р-п перехода
Если к р-п переходу, находящемуся в термодинамическом равновесии, приложить электрическое поле Е+ , направленное противоположно диффузионному ЕДиф (плюсом к полупроводнику р-типа, а минусом к полупроводнику п-типа), то высота потенциального барьера понизится на величину приложенного напряжения U+, а ширина области пространственного заряда уменьшится (рис.10.1 б):
(10.6)
Такое смещение называют прямым. В этом случае, все большее число основных носителей заряда смогут преодолеть потенциальный барьер и попасть в соседнюю область, где они являются неосновными носителями заряда. Это приводит к появлению относительно большого тока через р-п переход. Таким образом, через р-п переход происходитинжекция неосновных носителей заряда в область, примыкающую к р-п переходу. Ту область, в которую происходит инжекция неосновных носителей заряда, называютбазой. В тоже время обратный процесс переноса неосновных носителей заряда из базы останется незначительным.
Тогда полный ток через р-п переход при прямом смещении будет равен:
(10.7)
где Js– обратный ток насыщения.
Из этого выражения следует, что при прямом смещении ток через р-п переход резко возрастает с увеличением приложенного напряжения.
Если к р-п переходу, находящемуся в термодинамическом равновесии, приложить электрическое поле Е- , направленное вдоль диффузионногоЕДиф(минусом к полупроводнику р-типа, а плюсом к полупроводнику п-типа), то высота потенциального барьера повысится на величину приложенного напряженияU- (рис.10.1 б). Ширина области пространственного заряда увеличится согласно (10.6), при замене в этом выраженииU+на –U-.
Такое смещение называют обратным. В этом случае, основные носители заряда не смогут преодолеть потенциальный барьер и попасть в соседнюю область. В тоже время для неосновных носителей заряда потенциальный барьер вообще отсутствует. Несновные носители под действием электрического поля втягиваются в область р-п перехода и проходя через него попадают в соседнюю область. Происходит так называемаяэкстракциянеосновных носителей заряда. При этом через р-п переход будет протекать незначительный обратный ток, поскольку концентрация неосновных носителей в области базы незначительна.
Тогда полный ток через р-п переход при обратном смещении будет равен:
(10.8)
Обратный ток насыщения Js имеет тепловое происхождение и значительно зависит от температуры:
(10.9)
где Dn, μn, Ln – коэффициент диффузии, подвижность и диффузионная длина электронов в полупроводнике п-типа, соответственно;
Dр, μр, Lр – коэффициент диффузии, подвижность и диффузионная длина дырок в полупроводнике р-типа соответственно;
ρn, ρр - удельное сопротивление полупроводника п-типа и р-типа, соответственно;
ni – концентрация собственных носителей заряда в полупроводнике.
Зависимость тока от величины приложенного к р-п переходу напряжения называют вольтамперной характеристикой (ВАХ) перехода (рис.10.2). Таким образом, выражения (10.7) и (10.8) описывают ВАХ р-п перехода, соответственно при прямом и обратном смещении. Как следует из рис.10.2 на ВАХ р-п перехода можно выделить три параметра перехода: обратный токJs и обратное UОбр и прямое UПр падение напряжения. Таким образом, р-п переход обладает выпрямляющими свойствами, т.е. проводит ток в одном направлении. Однако, при повышении напряжения на обратносмещенном р-п переходе может возникнуть его пробой.
Под пробоем р-п перехода подразумевают резкое возрастание тока в нем при больших обратных напряжениях. Существует три вида пробоя: туннельный (зенеровский), лавинный и тепловой.
Туннельный пробой в обратносмещенном переходе связан с туннелированием носителей заряда через тонкий потенциальный барьер. При этом резко возрастает ток обратносмещенного р-п перехода.
Лавинный пробой происходит в толстых обратносмещенных р-п переходах, когда возникает ударная ионизация и лавинное размножение носителей заряда.
Тепловой пробой обусловлен разогревом р-п перехода при прохождении обратного тока в условиях, когда тепловыделение не компенсируется теплоотводом. На ВАХ возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и чаще всего р-п переход выходит из строя.
Лавинный и туннельный пробой используются при создании определенных типов диодов: стабилитронов, туннельных и лавинно-пролетных диодов.