4. Вольтамперная характеристика p-n перехода.

Рассмотрим, что произойдет, если к кристаллу с p-n переходом приложить внешнее напряжение. Пусть к электронно-дырочному переходу подключен источник напряжения плюсом к p-области и минусом к n-области. Такое включение называют прямым. Вследствие большого сопротивления переходного слоя все это напряжение окажется приложенным непосредственно к этому слою, а на других частях кристалла наличие внешнего напряжения не отразится. Поскольку в этом случае внешнее поле направленно навстречу внутреннему полю, то высота потенциального барьера на границе полупроводников уменьшится. При этом толщина контактного слоя уменьшается, его сопротивление уменьшается, и сила тока основных носителей через p-n переход возрастает. При таком включении ток не основных носителей через p-n переход не изменяется.

Если же источник тока присоединить к образцу так, чтобы его поле совпало по направлению с собственным полем p-n перехода, то потенциальный барьер возрастает. Толщина контактного слоя увеличивается, его сопротивление возрастает, и сила тока основных носителей уменьшается по сравнению со случаем отсутствия напряжения. При этом через p-n переход будет идти (в основном) только малый ток не основных носителей. Такое направление тока называют обратным или запирающим.

Зависимость силы тока I, проходящего через p-n переход, от приложенного к нему напряжения представлена на рис.6.

Вольтамперная характеристика p-n перехода.

Рисунок 6.

Положительные значения силы тока соответствуют прямому включению, а отрицательные значения – обратному. Как следует из графика и приведенных выше соображений, сила прямого тока возрастает при увеличении напряжения. Сила же обратного тока практически не зависит от приложенного напряжения. Она определяется количеством не основных носителей, образующихся в полупроводнике в единице, а это количество при постоянной температуре остается неизменным. Плотность обратного тока очень мала. Так, у кремниевых полупроводников диодов она составляет десятки микроампер на при внешнем напряжении в сотни вольт.

При увеличении напряжения обратный ток растет медленно и при некотором напряжении фактически перестает зависеть от него (ток насыщения). Это объясняется тем, что при достаточно большом обратном напряжении (для германия 0,1-0,2В) диффузионные потоки дырок и электронов почти совсем исчезают, а т.к. встречные потоки не основных носителей от напряжения не зависят, то обратный ток при дальнейшем повышении напряжения остается неизменным.

Если приложенное запирающее напряжение превышает некоторое критическое напряжение , то сила обратного тока резко возрастает. Это явление носит название пробоя электронно-дырочного перехода. Причина его заключается в следующем: под действием сильного электрического поля электроны приобретают значительную скорость и, сталкиваясь с нейтральными атомами в области p-n перехода, ионизируют их. В результате этого число носителей заряда в полупроводнике увеличивается, и сила обратного тока возрастает.

Таким образом, если прямое напряжение на p-n переходе измеряется долями вольта, то через него протекает ток, измеряемый долями ампера (для выпрямителей средней мощности). Если же обратное напряжение измеряется даже сотнями вольт, то через p-n переход протекает ток, измеряемый сотыми и тысячными долями микроампера. Следовательно, кристалл с p-n переходом подобен диоду, p-n переход работает, как вентиль; пропускает ток в одном направлении (переход отперт) и не пропускает его обратно (переход заперт).

Один из существенных недостатков полупроводниковых диодов - ухудшение выпрямляющих свойств при повышении температуры. Объясняется это тем, что при повышении температуры увеличивается генерация пар “электрон-дырок”. Этот процесс ведет к увеличению концентрации не основных подвижных носителей зарядов: дырок в n-области и электронов в p-области. Следовательно, обратный ток при повышении температуры увеличивается, т.е. выпрямляющие качества диода ухудшаются. Поэтому для каждого полупроводникового диода существует температурный предел его работы, который определяется значением энергии, необходимой для отрыва электрона от атомов полупроводника. Для кремниевого диода предельная температура его работы немного меньше С, а для германиевого еще меньше. Диоды на основе карбида кремния работают даже при температурах . Диоды на основе алмаза могут работать до температуры порядка . Однако трудности, возникающие при введении примесей в алмаз, т.е. при получении p-n перехода, препятствуют применению алмаза в качестве полупроводникового материала для диодов.

Используемая литература.

1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.,1978.

2. Киреев П. С. Физика полупроводников. Высшая школа, 1985, 584 с.

3. Орешкин П. Т. Физика полупроводников и диэлктриков. Высшая школа, 1977.