3.6.2. Диффузионная емкость

Диффузионная емкость – это виртуальная емкость, с помощью которой моделируют эффект конечного времени «рассасывания» неравновесного заряда неосновных носителей в высокоомной части p-n-перехода.

Если, как и ранее, рассматривать случай, когда область рявляется более высокоомной, т. е.

n_n >> p_n,

то в области р электроны являются неосновными носителями и их равновесная концентрация мала. При подаче прямого смещения электроны – основные носители слоя n – в огромном количестве переходят в слой р, создавая там объемный заряд неравновесных неосновных носителей.

Если резко сменить приложенноенапряжение на запирающее, то переход электронов изn-области прекратится, но электроны слояn, оказавшиеся вр-слое (неравновесный объемный заряд), будут, как неосновные носители, возвращаться в слойn, пока объемный заряд неосновных носителей вр-области не уменьшится до равновесного. Физически это означает, что в течение некоторого времени после смены напряжения с прямого на обратное черезp-n-переход будет протекать обратный ток, намного больший равновесного значенияI_S(рис. 3.12,а).

а б

Рис. 3.12. Проявление диффузионной емкости p-n-перехода:

а – при низкой скорости изменения сигнала;

б – при высокой скорости изменения сигнала

На рис. 3.12, бпоказано, как диффузионная емкость при высокой частоте изменения напряжения приводит к потере свойства односторонней проводимостиp-n-перехода. Очевидно, что чем больше величина прямого тока, тем больше неравновесный заряд, тем больше времени необходимо для его рассасывания (разряда диффузионной емкости), тем больше инерционностьp-n-перехода.

3.7. Пробой p-n-перехода

Увеличение обратного напряжения до некоторого критического значения вызывает явление лавинообразного нарастания обратного тока, которое, если не принять мер по его ограничению, вызовет разрушение p-n-перехода. Это явление называется пробоем. Физический механизм пробоя достаточно сложен, и его условно можно разделить на два типа:тепловой и электрический.

3.7.1. Тепловой пробой

Тепловой пробой можно упрощенно представить следующей схемой: при протекании обратного тока на p-n-переходе выделяется мощностьР=U₀I₀, что приводит к нагреву объема полупроводника. Возникает положительная тепловая связь, которая, если не обеспечить температурного равновесия (за счет эффективного отвода тепла), приведет к тепловому разрушениюp-n-перехода. Предотвращение теплового пробоя является серьезной инженерной задачей и достигается за счет ограничения величины обратного напряжения и обеспечения хорошего отвода тепла отp-n-перехода (установкаp-n-перехода на теплоотводящие пластины-радиаторы, активное вентилирование).

3.7.2. Электрический пробой

Рис. 3.13. Характеристика электрического пробоя

Электрический пробой возникает за счет лавинообразной генерации свободных носителей непосредственно в области p-n-перехода при воздействии большой напряженности врезультате многократной ударной ионизации атомов. Особенностью электрического пробоя является наличие на вольт-амперной характеристике участка с малым дифференциальным сопротивлением (рис. 3.13). Это значит, что в режиме пробоя (при контролируемом ограничении тока)p-n-переход ведет себя как источник практически постоянного напряжения (U0). На основе этого явления разрабатываются специальные элементы – стабилитроны. Отметим, что при узком переходе и высокой напряженности электрического поля возникает и туннельный пробой.