Прямой ток

Е сли внешнее напряжение приложить плюсом к p-области, минусом к n-области, то оно будет противостоять контактной разности _к. Следовательно, к переходу приложена разность потенциалов _к-U_пр; внутри перехода электрическое поле уменьшается, диффузионный ток дырок из p-области и электронов из n-области преобладает над дрейфовым током, и результирующий ток не равен нулю. Из-за снижения потенциального барьера этот ток может достичь больших значений, т.к. обеспечивается движением основных носителей заряда.

Этот ток называется прямым током. Прохождение прямого тока сопровождается увеличением концентрации неосновных носителей в каждой области на границе с переходом и вблизи него. Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей.

Инжекция происходит в обе области, но если, например, N_a>>N_д , то инжекцией электронов можно пренебречь.

Под действием прямого напряжения уменьшается толщина p-n-перехода

= .

При этом уменьшается сопротивление перехода, т.е. оно является нелинейным (зависит от приложенного напряжения).

Обратный ток

Е сли внешнее напряжение приложить плюсом к n­-области, а минусом к p-области, то оно совпадает с направлением внутреннего поля, т.е. к переходу приложена суммарная разность потенциалов: _к+U_обр.

Электрическое поле в переходе увеличивается, дрейфовый ток становится больше тока диффузии. Результирующий ток называется обратным, он сопровождается движением через переход неосновных носителей: дырок из n-области, и электронов из p-области. Перенос неосновных носителей через переход называется экстракцией. Ток за счет экстракции невелик, т.к. создается неосновными носителями, которые находятся от границ перехода на расстоянии диффузионной длины. При увеличении обратного напряжения обратный ток сначала растет, а затем достигает уровня насыщения и практически перестает зависеть от напряжения.

Под действием обратного напряжения толщина перехода увеличивается

 =

При этом возрастает его сопротивление.

Таким образом, р-n–переход обладает нелинейной проводимостью: в прямом направлении она гораздо больше, чем в обратном. Это свойство р-n–структуры находит широкое применение в полупроводниковой электронике.

1.3.3.Статическая вольт-амперная характеристика р-n перехода

Примем допущения:

1. Конструкция перехода плоскопараллельная, ось х перпендикулярна границе;

2. Пренебрегаем генерацией и рекомбинацией носителей заряда в самом переходе;

3. Пренебрегаем объемным омическим сопротивлением p- и n- областей, прилегающих к переходу.

Ток через переход найдем как сумму потоков дырок и электронов, проходящих через границы перехода. Плотность дырочного тока на границе перехода с n-областью (x_n=0):

Концентрация дырок на границе перехода и n-области и концентрация электронов на границе перехода и p-области соответственно равны

; .

В установившемся режиме избыточная концентрация неосновных носителей убывает вдоль x по экспоненте:

В германии = 0,7...2мм, в кремнии = 0,2...0,6 мм.

Отсюда вольт–амперная характеристика

При подаче обратного напряжения (U<0) ток асимптотически стремится к величине I₀= .

Таким образом, I₀ – это ток перехода при достаточно большом обратном напряжении.

Ток I₀ - это ток экстракции тех носителей заряда, которые образуются в пределах диффузионной длины от границ с переходом за счет термогенерации. Его называют тепловым током I_т .

Если переход несимметричен (у нас из-за N_а >>N_д , p_n >>n_p),

.

Прямая ветвь В.А.Х. идет очень круто вблизи оси тока. При небольших значениях U_пр (десятки мВ) прямой ток через переход резко возрастает.

Особенности ВАХ реальных р-n-переходов

Р еальная ВАХ(2) отличается от идеализированной (1): Прямая ветвь - из-за падения напряжения на омических сопротивлениях базы и эмиттера (r_б>>r_э). Обратная ветвь: в идеализированном p-n-переходе при U_обр>>_m обратный ток не зависит от напряжения. Это тепловой ток I_обр = I_т . В реальных переходах I_обр заметно зависит от U_обр, и в кремниевых переходах I_обр в 100...1000 раз больше теплового тока. Это объясняется термогенерацией носителей заряда в самом переходе (I_r) и существованием токов утечки (I_ут). Эти токи с увеличением U_обр растут.

I_обр=I_т+I_г+I_ут

Эквивалентная схема

В реальных диодах при больших обратных напряжениях может происходить пробой.

Пробой p-n перехода - это значительное возрастание обратного тока при увеличении приложенного U_обр . Три вида пробоя:

• т уннельный электрический

• лавинный

• тепловой

Туннельный пробой

В основе туннельного пробоя - туннельный эффект, “просачивание” основных носителей – электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей. Туннельный переход из валентной зоны р-полупроводника в зону проводимости n-полупроводника возникает в узких p-n переходах при Е=10 МВ/см.

Е

Рис.. Энергетическая диаграмма, поясняющая возникновение свободных носителей заряда при туннельном переходе.

сли p и n области сильно легированы, то ширина ОПЗ становится малой и за счет туннельного эффекта появляется конечная вероятность для электронов из валентной зоны проникнуть в зону проводимости, преодолев барьер, который возникает в сильном электрическом поле. Для туннельного эффекта характерно то, что электроны после преодоления энергии не изменяют своей энергии, следовательно для того, чтобы этот эффект имел место электрическое поле должно быть настолько с ильным, чтобы обеспечить такой наклон зон при котором заполненные электронами уровни валентной зоны оказались напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны рис.. Поскольку туннельный механизм перехода носителей имеет место только при малой ширине ОПЗ, то для этого типа пробоя характерны невысокие пробивные напряжения. К отличительным особенностям туннельного пробоя следует так же отнести сравнительно слабую зависимость от температуры напряжения пробоя.

Лавинный пробой

Лавинный пробой - вызывается ударной ионизацией, которая происходит, когда напряженность поля велика и неосновные носители, двигаясь через p-n переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне перехода ионизируют их: появляется пара электрон-дырка. Вновь возникшие носители заряда ускоряются полем Е и вызывают ионизацию следующего атома. Если процесс идет лавинно, возрастает обратный ток, который ограничивается только сопротивлением внешней цепи. Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках с большой шириной p-n перехода.

Лавинный пробой характеризуют коэффициентом лавинного умножения, для которого справедливо следующее соотношение:

(2.101)

где J - обратный ток до умножения (равный сумме тока насыщения и генерационного), n - коэффициент, который зависит от материала и профиля легирования pn перехода, этот коэффициент может иметь значения от 2 до 6

Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования p и n областей.

Тепловой пробой

Т епловой пробой возникает из-за разогрева перехода, когда теплота, выделяемая в переходе, не отводится

При увеличении обратного напряжения увеличивается и мощность рассеиваемая в переходе в виде тепла, поэтому для pn переходов со сравнительно высокими обратными токами возможен разогрев pn перехода, происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и увеличение I_обр.,что в свою очередь приведет к увеличению обратного тока. Возрастание обратного тока приведет к дополнительному выделению тепла и соответственно дополнительному разогреву, что явится причиной дальнейшего увеличения обратного тока. Таким образом в pn переходе возникает положительная обратная связь, которая приводит к возникновению тепловой неустойчивости - тепловому пробою.

Как видно из рис при тепловом пробое на обратной характеристике pn перехода возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На этом участке имеет место возрастание тока при уменьшении напряжения (неустойчивость тока). Если не принять специальных мер для ограничения тока, то диод выходит из строя. Предпосылкой для возникновения теплового пробоя служат большие значения обратного тока, поэтому этот тип пробоя легче возникает в приборах, изготовленных на основе материалов с небольшой шириной запрещенной зоны. В диодах на основе Si и GaAs он может иметь место при высоких температурах, когда значения обратных токов становятся большими.