1.9.5. Вольтамперная характеристика идеального n-р-перехода

При выводе ВАХ делаем следующие допущения:

1. Током, вызванным рекомбинацией носителей на р-n-переходе, пренебрегаем. В этом случае мы считаем, что . Если , то обязательно будет рекомбинация части носителей в обедненной области, что вызовет дополнительную составляющую тока через переход.

2. Все внешнее напряжение U приложено только к обедненному слою n-p-перехода, т.е. на границах областей р и n электрическое поле равно нулю, тогда дрейфовый ток через переход тоже равен нулю.

Следовательно, ток инжектированных носителей носит чисто диффузионный характер.

и

.

Из рис. 1.15 видно, что производная в точке х = 0 может быть приближенно найдена так

и

.

Подставив значения и из выражений (1.17) и (1.18), получим

и

.

Тогда полная плотность тока через переход

.

Умножим плотность тока на площадь p-n-перехода, получим значение тока через переход

, (1.19)

где называется обратным или тепловым током р-n-перехода.

Графическое изображение идеальной ВАХ представлено на рис. 1.16.

Эта характеристика построена по уравнению (1.19) и называется идеальной ВАХ. При комнатной температуре у кремневого транзистора величина I₀  10^–15А, а U_пр  0,7–0,8 В. Однако величина этого тока очень сильно зависит от температуры. Зависимость I₀ от температуры можно выразить следующей формулой

,

где для Ge m = 2,  = 1, _з = 0,76 В; для Si m = 1,5,  = 2, _з = 1,11 В.

Для приближенных расчетов можно пользоваться формулой удвоения.

,

т.е. на каждые 10 С ток увеличивается в два раза.

Как видно из формулы (1.19), I₀ влияет на прямую и обратную ветвь, но т.к. ток в прямой ветви достаточно большой, то относительное увеличение не является существенным, а вот обратная ветвь меняется достаточно сильно. При предельных температурах (Ge = 85 C, Si = 125 C) обратный ток становится соизмерим с прямым током и переход перестает работать.

Зависимость ВАХ от температуры и площади перехода показана на (рис. 1.17,а,б).

1.9.6. Реальная ВАХ

В реальных р-n-переходах омическое сопротивление базы не равно нулю. В этом случае прямое напряжение , тогда ВАХ прямой ветви пойдет положе, и будет выглядеть так, как показано на рис. 1.18.

В обратной ветви реальной ВАХ обратный ток намного превышает тепловой ток I₀. Это вызвано прежде всего термогенерацией электронно-дырочных пар в области обратно смещенного р-n-перехода. Этот ток получил название тока термогенерации (I_G). Процесс термогенерации происходит всегда, но если состояние равновесное, то скорость термогенерации и рекомбинации одинаковы. При обратном напряжении процесс рекомбинации замедляется. Избыточные носители переносятся электрическим полем в нейтральные слои (электроны в n, дырки в р), эти потоки и образуют ток термогенерации, величина которого может составлять 10^–11А, что на четыре порядка выше тока I₀.

Отличительной особенностью тока термогенерации является то, что этот ток зависит еще и от величины обратного напряжения, так как с ростом U_обр растет ширина обедненного слоя, а, следовательно, количество термогенерируемых пар увеличивается. Кроме этого тока еще существует ток утечки по поверхности р-n-перехода (I_утечки), возникающий за счет загрязнения корпуса р-n-перехода, который пропорционален обратному напряжению (рис. 1.19). В сумме эти три составляющих (токи тепловой, термогенерации и утечки) определяют обратный ток реального перехода. Если обратное напряжение увеличивать беспредельно, то при некоторой его величине возможен пробой перехода.