10.1.Вольтамперная характеристика p-n перехода

Вольтамперной характеристикой называется зависимость тока протекающего через какой-либо прибор от приложенного напряжения. Для p-n перехода она имеет вид, представленный на рис 1.15.

Рис.1.15. Вольтамперная характеристика p-n перехода.

Масштабы прямой и обратной ветвей здесь существенно различны.

Такая характеристика описывается приведенными ранее соотношениями. При , ,

а , поэтому I_пр будет много больше I_обр, а I_обр ≈ -I_o.

При наличии обратного напряжения носители как бы растаскиваются к краям полупроводниковых слоев, при этом увеличивается зона, обедненная свободными носителями, то есть расширяется область p-n перехода.

Свойство p-n перехода обладать существенно разной проводимостью в прямом и обратном направлениях называется вентильным эффектом.

Если p-n структуру подогреть, то при неизменных приложенных напряжениях прямой и обратный токи станут больше, чем до нагрева. Вольтамперная характеристика изменится, как это показано на рис. 1.16 штриховой линией. Увеличение прямого и обратного токов при фиксированных значениях напряжений объясняется ростом интенсивности генерации электронно-дырочных пар, то есть увеличением концентрации основных и неосновных носителей.

Рис.1.16. Изменение вольтамперной характеристики

p-n перехода при изменении температуры.

Вследствие этого обратный ток возрастает очень резко. Он удваивается при повышении температуры на каждые 10 у кремниевых p-n переходов и практически утраивается у германиевых. Прямой ток возрастает слабее, так как он в основном обусловлен примесной проводимостью и рост количества основных носителей при повышении температуры слабее сказывается на повышении их общего числа.

При температурах выше или ниже критических оба полупроводника превращаются в собственные и разница между ними, а также различие между прямой и обратной ветвями вольтамперной характеристики исчезают.

11.1.Пробой p-n перехода

С ростом запирающего напряжения обратный ток через p-n структуру будет возрастать. Это связано с ее разогревом и возникновением ударной ионизации. Последнее явление проявляется в том, что при высоких обратных напряжениях электроны, проходящие p-n переход, приобретают высокую энергию и при столкновении с узлами кристаллической решетки (атомами) могут вызвать рождение пары носителей, которые в свою очередь будут разгоняться полем, порождать новые пары и т.д. С ростом обратного напряжения этот процесс становится все более интенсивным. Когда пара носителей в среднем порождает больше одной новой пары, то возникает лавинообразный процесс их размножении. При некотором обратном напряжении ток через p-n переход скачком возрастает (теоретически до бесконечности) (рис.1.17). Такой эффект называется пробоем p-n перехода, а в данном случае электрическим лавинным пробоем. Этот механизм пробоя характерен для p-n переходов с большой шириной, которые получаются при использовании слабо легированных полупроводников. При лавинном пробое, кроме механизма ударной ионизации может также действовать эффект, заключающийся в вырывании электронов из связей сильным электрическим полем. Пробивное напряжение p-n переходов при лавинном пробое обычно составляет десятки, сотни и более вольт.

Рис.1.17. ВАХ лавинного и туннельного пробоя p-n - перехода.

Если p-n переход образован сильно легированными полупроводниками, то он получается узким и даже при небольшой запирающей разности потенциалов напряженность поля оказывается огромной. Электрон или дырка при этом, пролетая область перехода, не успевают по пути встретить и ионизировать какой-либо атом. В этой ситуации возникают условия для так называемого туннельного пробоя. Его сущность состоит в том, что, при напряженности поля более 10⁵-10⁶ В/см, электроны могут перейти из валентной зоны в зону проводимости и обратно без изменения энергии. То есть они не преодолевают потенциальный барьер, а как бы «протыкают» его. Напряжение туннельного пробоя лежит в пределах единиц вольт и его особенность состоит в том, что обратный ток в зоне пробоя изменяется плавно.

Интерпретировать механизм туннельного перехода можно следующим образом (рис. 1.18). Если имеется некоторый холм и требуется переместить предмет с одной его стороны на другую, то необходимо сначала затратить энергию, чтобы поднять его на вершину, а потом он скатится вниз с выделением того же количества энергии. В итоге энергия предмета до и после перемещения будет одинаковой. Однако, если в холме прокопан горизонтальный туннель, то перемещение предмета можно осуществить без затрат энергии, что и характерно для туннельного эффекта.

Рис.1.18. Интерпретация механизма туннельного пробоя.

Еще один вид пробоя называется тепловым. По характеру он существенно отличается от электрических видов пробоя. Его механизм можно представить следующим образом. Пусть при некотором обратном напряжении U_обр через p-n переход протекает ток I_обр. Тогда, вследствие выделения мощности P= U_обр I_обр, полупроводниковая структура нагреется на t^o . Это приведет к росту обратного тока, вследствие чего возрастет рассеиваемая мощность. Если при этом тепло не отводить, увеличится температура и т.д. То есть может возникнуть лавинообразный рост обратного тока, сопровождающийся повышением температуры вплоть до расплавления полупроводниковой структуры.

Вольтамперная характеристика теплового пробоя имеет вид, представленный на рис. 1.19 и ее особенностью является наличие падающего участка. Тепловой пробой возникает, если выделяющееся количество тепла больше отводимого, и он необратим.

Рис.1.19. Вольтамперная характеристика теплового пробоя.

В отличие от теплового, электрический пробой обоих видов обратим, то есть если ограничить ток пробоя и достаточно интенсивно отводить тепло, то p-n переход может пребывать в таком состоянии сколь угодно долго. При снятии обратного напряжения исходное состояние перехода восстановится. На использовании эффекта электрического пробоя основана работа особого вида полупроводниковых приборов - стабилитронов.