5.1 Прямая ветвь вах

Суммарный ток, протекающий через р-n переход равен:

. (1.26)

Токи рекомбинации в запорном слое р-n перехода и на его поверхности, а также канальный ток преобладают над диффузионным на малых уровнях инжекции. При больших напряжениях диффузионная составляющая резко растёт и начинает преобладать над рекомбинационной в области объёмного заряда и канальной компонентами.

Выражение (1.26) в общем случае можно аппроксимировать формулой

. (1.27)

При незначительных смещениях р-n перехода m = 4. При увеличении напряжения m = 2. Когда начинает преобладать диффузионная составляющая тока, m = 1. На высоких уровнях инжекции m изменяется от 1 до 2 за счёт возникновения диффузионного поля. При значительном увеличении тока m возрастает за счёт падения напряжения на сопротивлении базы.

Необходимо отметить, что указанные значения параметра m являются приблизительными. Отличие реальных значений m от теоретических объясняются упрощениями, принятыми при выводе аналитических выражений для составляющих тока через р-n переход.

В некоторых случаях (кремниевые диоды, например) возможно наступление высоких уровней инжекции (m₁>1) ещё при токах, когда рекомбинация в области объёмного заряда и на поверхности р-n перехода существенная (m₂ > I). Следовательно, на ВАХ диода будет отсутствовать участок, соответствующий чисто диффузионной Шоклиевской оставляющей тока.

Определив m, можно указать, какая составляющая тока преобладает на данном уровне инжекции. Определение параметра m производят обычно из зависимости ln (I_пp )= f(U).

, (1.28)

откуда .

График функции (1.28) представлен на рис.1.16: m определяется по углу наклона функции ln(I_пр)≈f(U). График зависимости представлен на рис.1.17.

Рисунок 1.16 – К определению механизмов проводимости p‑n перехода и токов насыщения

Рисунок 1.17 – Зависимость параметра m от прямого напряжения на диоде

Из выражения (1.28) следует, что при U = 0 . Таким образом, экстраполируя учаcтки зависимости с известным механизмом проводимости, можно определить соответствующие токи насы­щения: I_Д0, (B+C), I_{ko .}

5.2 Обратная ветвь вах

При обратных смещениях на p-n переходе ток равен:

. (1.29)

Как будет показано ниже, канальная составляющая тока проявляется обычно при низких температурах, при комнатных же температурах преобладает либо диффузионная компонента, либо составляющая генерации в р-n переходе. Поясним условия, при которых пре­обладает та или иная составляющая.

Рассмотрим соотношение:

,

для простоты примем:; ;,

кроме тоге, известны соотношения:; ;

тогда можно записать: .

Из приведённого соотношения видно, что генерационная составляющая будет играть тем большую роль, чем больше ширина запрещенной зоны ΔЕg т.е. чем меньше n_i, чем меньше диффузионная длина (время жизни носителей) и чем больше ширина запорного слоя d. Последнее показывает, что при прочих равных условиях у диффузионных диодов генерационная составляющая больше, чем у сплавных.

Кроме того, из приведённого соотношения следует, что у германиевых диодов генерационная составляющая тока в ОПЗ значительно меньше, чем у кремниевых, так как ширина запрещённой зоны у них значительно уже. Действительно, у германиевых диодов наблюдается насыщение обратной ветви ВАХ, что свидетельствует о преобладании диффузионной составляющей; у кремниевых диодов обратный ток не насыщается.

По результатам измерений зависимости lg Iобр=f (lg Uобр) можно определить механизмы проводимости р-n перехода, а также его тип резкий или плавный (параметр n). Если наклон графика этой зависимости ∆lg(U_обр)/∆lg(I_обр) равен 1, то преобладает канальный ток. Если ∆lg(U_обр)/∆lg(I_обр)→0, то есть ток не зависит от напряжения, то обратный ток является диффузионным. Для случая преобладания генерационного тока ∆lg(U_обр)/∆lg(I_обр) равно либо 2 (резкий переход), либо 3 (плавный переход).

Во всех случаях обратный ток р-n перехода связан с генерацией носителей заряда, т.е. является активационным процессом. Активационный процесс характеризуется энергией активации, т.е. тем энергетическим барьером, который должен преодолеть носитель заряда при генерации.

Практическая часть:

Измерение прямого падения напряжения на диоде производят в схеме, изображенной на рис.1.18, при соответствующем подключении диода («прямое») и переключателя S1 (положение «b»).

Через испытуемый диод VD1 генератором тока G2 (переключатель рода работы источника G2 – в положении GI2) задается прямой ток. Прямое падение напряжения измеряется высокоомным вольтметром постоянного тока, подключенным непосредственно к диоду. При таком подключении прямой ток, измеряемый миллиамперметром P1, равен сумме токов, протекающих через испытуемый диод и вольтметр. Однако, поскольку в исследуемом диапазоне прямых смещений (за исключением очень малых смещений) внутреннее сопротивление вольтметра много больше сопротивления диода, током через вольтметр можно пренебречь, считая, что миллиамперметр показывает ток диода.

Исследование обратной ветви вольтамперной характеристики диода производится в схеме по рис.1.18 при подключении диода в положении «обратное», переключателя S1 – в положении «а», переключателя рода работы источника G2 — в положение GU2, т.е. в режиме генератора напряжения. При этом миллиамперметр P1 включен последовательно с диодом и измеряет его обратный ток. Вольтметр P1 измеряет суммарное падение напряжения на миллиамперметре и диоде. Однако, при обратном смещении в допробойной области через диод протекают малые токи, создающие незначительные падения напряжения на низкоомном миллиамперметре. Этим падением напряжения можно пренебречь по сравнению с падением напряжения на обратносмещенном диоде, считая, что вольтметр показывает обратное напряжение на диоде.

В области пробоя обратные токи резко возрастают, поэтому необходимо перейти к режиму генератора тока (G2 – в положении GI2) и подключить вольтметр P2 к клемме «b».

В области очень малых прямых смещений токи малы, и в этом случае необходимо перейти к режиму генератора напряжения (G2 – в положении GU2) и подключить вольтметр к клемме «а».

Рисунок 1.18 – Схема измерения вольтамперных характеристик полупроводникового диода

Задание:

1. Изучить и собрать схему измерения ВАХ диода в прямом смещении согласно рис.1.18.

2. Снять ВАХ германиевого и кремниевого диодов в прямом смещении. Результаты измерений занести в табл.1.1.

Таблица 1.1 – Таблица измерений ВАХ диода в прямом смещении

Iпр, мкА	5	10	20	50	100	200	500	1000	2000	5000	10000
Uпр (Si) ,В
Uпр (Ge),В

3. По результатам измерений построить графики зависимости для обоих типов диодов; начальные участки ВАХ строить отдельно в увеличенном масштабе. Определить графически диффузионный потенциал германиевого и кремниевого р-n переходов по методу Шокли.

4. По данным табл.1.1 построить графики зависимости . На разных участках функций определить параметр ; построить зависимости для обоих типов диодов. Определить механизмы проводимости р‑n переходов.

5. Изучить и собрать схему измерений ВАХ диода в обратном смещении согласно рис. 1.18.

6. Снять ВАХ германиевого и кремниевого диодов в обратном смещении. Результаты измерений занести в табл.1.2.

Таблица 1.2 — Таблица измерений ВАХ диода в обратном смещении

Uобр, В	0.5	1	2	5	10	20	50	100	200	300
Iобр (Si),мкА
Iобр (Ge),мкА

7. По данным табл.1.2 построить графики зависимости для обоих типов диодов. Определить механизм пробоя.

8. Построить графики зависимости , определить значение параметра n , сделать выводы о механизмах проводимости и типе р-n перехода (резкий или плавный).

Контрольные вопросы:

1. Чем определяется величина диффузионного потенциала?

2. Пояснить определение диффузионного потенциала по методу Шокли.

3. Объяснить построение энергетических диаграмм р-n перехода при равновесии, прямом и обратном смещении.

4. Перечислить основные недостатки теории Шокли.

5. По какому закону изменяются с напряжением канальный ток, составляющая генерации—рекомбинации в области объемного заряда и на его поверхности, диффузионная компонента?

6. Как влияют на вид ВАХ диода модуляция проводимости базы и перераспределение напряжения между р-n переходом и базой диода?

7. По какому критерию определяется механизм электрического пробоя?

8. Что такое энергия активации зависимости Iобр(Т)? Объяснить величину энергии активации для различных составляющих обратного тока диода.

9. Как определить токи насыщения различных составляющих прямого тока диода?