Тема 2.4 Вольт амперные характеристики и p-n модель

2.4.1 Модель p-n , вах

Рисунок 5.14 – Эквивалентная схема ПП диода

где R₀ – суммарное сопротивление n и p – областей и контактов (небольшое).

Rнл – нелинейное сопротивление, значение которого зависит от полярности приложенного напряжения. При прямом Rнл = Rпр и мало, а при обратном Rнл = Rобр и велико.

Св – емкость между выводами областей.

Сдиф – диффузионная емкость.

Сб – барьерная емкость.

L – индуктивность, создаваемая выводами от перехода.

p-n – переход при Uобр подобен конденсатору с емкостью С_{барьерная}.

Сб = Qобр/Uобр

Для переменного U - Сб = ∆Qобр/∆Uобр.

В зависимости от площади перехода значение Сб может быть от единиц до сотен пикофарад и подобно нелинейной емкости, т.к. изменяется с изменением Uобр.

Сб вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как она шунтирует p-n – переход и через Сб с повышением частоты протекает ток.

Сдиф проявляется при прямом включении, она также нелинейная и возрастает при увеличении Uпр

Сдиф = Qдиф/Uпр

Сдиф значительно больше барьерной и влияет на коэффициент передачи на нижних частотах.

2.4.2 Вольт – амперная характеристика

Вольт - амперная характеристика реального p-n – перехода при Uвнешнее=0. В реальных условиях в запирающем слое происходит генерация и рекомбинация пар носителей, которые разделяются электрическим полем перехода так, что электроны переходят в n-область, а дырки в р-область, создавая дополнительную составляющую обратного тока, называемую генерационным током Iген. По своей природе он, как и I₀ является тепловым, различие лишь в том, что I₀ создается неосновными носителями, а образовавшиеся пары будут основными носителями. В состоянии равновесия Iген уравновешивается рекомбинационным током Iрек. Некоторые основные носители, вошедшие в обедненный слой, но не имеющие достаточной энергии для преодоления барьера, могут быть захвачены ловушками и рекомбинировать с носителями, приходящими таким же образом из другой области. Рекомбинация в самом переходе означает появление дополнительного тока Iген. В состоянии равновесия Iген = Iрек и ток через p-n – переход равен нулю.

Рисунок 5.15 – Токи через обедненный слой

Что произойдет при включении p-n – перехода в обратном направлении? Потенциальный барьер возрастает и ток основных носителей прекращается, поэтому исчезает рекомбинационный ток, а ток генерации – возрастает, так как расширяется обедненный слой.

При прямом включении произойдет сужение обедненного слоя, поэтому Iген уменьшается, а ток Iрек увеличивается из-за увеличения потока основных носителей через переход.

На рисунке 5.15 штриховой линией показана ВАХ идеализированного p-n – перехода.

I₀ – тепловой ток является важным параметром p-n – перехода. Его значение пропорционально равновесной концентрации неосновных носителей в нейтральных областях.

I₀ – сильно снижается с ростом ширины запрещенной зоны и увеличения концентрации носителей.

Пробой p-n- перехода. Существуют виды электрического пробоя: лавинный, туннельный, тепловой, поверхностный.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией атомов кристаллической решетки в обедненном слое при обратном включении.

При Uобр ток создается дрейфовым движением неосновных носителей, приходящих из нейтральных областей. Эти носители ускоряются в обедненном слое, приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральными атомом ПП произвести их ионизацию, т.е. появляются пары электрон-дырка. Вновь образовавшиеся носители будут ускоряться полем и вызывают дополнительную ионизацию и при определенном значении Uобр = Uпробив процесс становится лавинообразным, что приводит к резкому увеличению обратного тока.

Значение Uобр зависит от ширины запирающего слоя, чем шире, тем Uпробоя больше, так как необходимо сообщить большую энергию носителям.

Uобр зависит от температуры и типа полупроводника. Для p-n – переходов, сделанных на базе кремния Uпробив возрастает с повышением температуры, так как уменьшается длина свободного пробега носителей и для сообщения носителям необходимой энергии требуется большая напряженность.

Туннельный пробой. Возникает, когда напряженность поля в обедненном слое возрастает настолько (Е ≥ В/м), что проявляется туннельный эффект – переход электронов сквозь барьер без изменения энергии. Эффект наблюдается в узких переходах (порядкамкм), а для этого нужна большая концентрация примеси (более) Туннельный эффект возникает как при прямом так и при обратном включении.

При Uобр возникает эффект за счет перехода валентных электронов из валентной зоны р-области без изменения энергии на свободный уровень в зону проводимости n-области.

С повышением температуры U пробоя уменьшается (отрицательный коэффициент) из-за некоторого уменьшения ширины запрещенной зоны (высоты барьера).

Экспериментально установлено, что при концентрации примеси (менее ) напряжение лавинного пробоя ниже, чем туннельного, т.е. будет лавинный пробой.

Для высоких концентраций (более ) напряжение лавинного пробоя выше, чем туннельного, и происходит туннельный пробой.

При средних концентрациях носителей крутизна ВАХ обратной ветви с туннельным пробоем меньше, чем при лавинном. Пробой объсняется обоими механизмами и механизм преобладания определяется по знаку температурного коэффициента.

Тепловой пробой происходит за счет обратного тока, так как протекая через переход выделяется мощность виде тепла, которая вызывает разогрев p-n – перехода и прилегающих к нему областей ПП и дальнейший рост тока.

Отводимая мощность за счет теплопроводности и последующего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву p-n – перехода.

Ротвода = (Т – Токр)/Rт,

где Т-Токр – разность температур перехода Т и Т окружающей среды

Rт – тепловое сопротивление участка переход – окружающая среда.

После включения, через некоторое время, устанавливается тепловое равновесие – баланс мощностей выделяемой и отводимой.

При нарушении баланса наступает пробой, что приводит к разрушению p-n – перехода, за счет перегрева.

Поверхностный пробой (ток утечки) возникает из-за загрязнений поверхности ПП и наличия поверхностных зарядов между p-n – областями, что приводит образованию токопроводящие пленки и каналы. Iутечки увеличивается с увеличением Uобр и может превысить тепловой ток (I₀) и ток генерации (Iген)

Для уменьшения Iутечки применяют защитные покрытия. От температуры Iутечки зависит слабо.

Зависимость прямого тока диода от материала и площади перехода.

Рисунок 5.16 – Зависимость прямого тока от материала и площади перехода

С увеличением площади (S) прямой ток возрастает, характеристика тока идет круче. Начальный участок прямой ветви ВАХ зависит от материала. Для кремниевых диодов характерен более резкий переход от пологого начального участка к области, где проявляются особенности высокого уровня инжекции. В германиевых диодах омический участок более крутой, так как подвижность носителей в германии значительно выше, чем в кремнии.

Изменение ВАХ при изменении температуры. Обратный ток зависит от материала – у германиевых начальный ток больше, чем у кремниевых, так как у кремниевых ток определяется в основном процессами рекомбинации носителей в переходе, который преобладает над процессами тепловой генерации. С увеличением температуры токи увеличиваются согласно соотношению:

I₀(T) = I₀(T₀)e^αΔTz,

где α_Si = 0,13 K^-1;

α_Ge = 0,09 K^-1;

ΔT = T – T₀, T₀ = 300 K.

Прямая ветвь характеристик сдвигается влево и становится более крутой. Но сдвиг незначительный. Для оценки температурной зависимости прямой ветви используют величину ε – температурный коэффициент напряжения (ТКН). ε = ΔU/ΔT и показывают изменение прямого напряжения (ΔU) за счет изменения ΔТ = 1⁰С, при некотором значении прямого тока. Для германиевых и кремниевых диодов ε = -2 мВ/⁰С.

Рисунок 5.17 – Зависимость токов при изменении температуры

Из графиков видно, что в германиевых диодах с ростом температуры U_обр = U_проб уменьшается, а у кремниевых диодов возрастает. Значение обратного тока возрастает примерно в 2 раза на каждые 10⁰С у диодов сделанных на базе германия. Если изменить температуру с 20⁰С до 70⁰С, то ток обратный возрастает в 32 раза. У кремниевых диодов ток увеличивается примерно в 3 раза.