3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Обратным напряжением U_o6p называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной раз­ности потенциалов; оно приложено плюсом к n-области, а мину­сом— к p-области (рис. 1.10,а). При этом потенциальный барьер возрастает; он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений (рис. 1.10,6): <p= U_K + U_0бр.

Повышение потенциального барьера препятствует диффузии

зо

основных носителей заряда через р-п переход, и она уменьшает­ся, а при некотором значении L/_o6p совсем прекращается. Одно­временно под действием электрического поля, созданного внеш­ним напряжением, основные носители заряда будут отходить от р-п перехода. Соответственно расширяются слой, обедненный носителями заряда, и р-п переход, причем его сопротивление возрастает.

*обр

Внутреннее электрическое поле в р-п переходе, соответствую­щее возросшему потенциальному барьеру, способствует движе-

_У^обР+

-о О- I обр

•© !—	+++!	©•
	:t4j&	;©*
	+++I |	©•

Рис. 1.10. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении: а — схема включения; б — потенциальный барьер

нию через переход неосновных носителей заряда. При прибли­жении их к р-п переходу электрическое поле захватывает их и переносит через р-п переход в область с противоположным ти­пом электропроводности: электроны из p-области в n-область, а дырки — из n-области в p-область. Поскольку количество неос­новных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через р-п переход очень мал. Ток, протекающий через р-п пере­ход при обратном напряжении, называют обратным током 1_обр. Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым то­ком /_обр = /_т, который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захватывания электрическим полем р-п перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напря­жении через р-п переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.

Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концентрации в данной области около границы р-п перехода практически до нуля. Это вызывает диф­фузию неосновных носителей заряда из глубины области в на­правлении к р-п переходу, что компенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую область. Движение неосновных носителей заряда к р-п переходу создает электрический ток в

объеме полупроводника. Компенсация убыли электронов в объ­еме полупроводника p-типа происходит за счет пополнения их из внешней цепи от минуса источника питания. Это вызывает про­хождение электрического тока во внешней цепи.

4. Вольт-амперная характеристика электронно­дырочного перехода. Пробой и емкость р-п перехода

Вольт-амперная характеристика р-п перехода представляет собой зависимость прямого тока от прямого напряжения и об­ратного тока от обратного напряжения (рис. 1.11). Эта характе­ристика имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квад­ранте графика, и обратную — в третьем квадранте.

Зона прово- р-п димости

Рис. 1.11. Вольт-амперная характеристика р-п перехода и влияние темпера­туры на прямой и обратный токи (а); виды пробоя р-п перехода (б): / — ла­винный пробой; 2 — туннельный пробой; 3 — тепловой пробой; энергетическая диаграмма, иллюстрирующая туннельный пробой (в)

Прямой ток создается диффузией через р-п переход основ­ных носителей заряда. С увеличением U_np от 0 до значения, рав­ного £/_к, ток /_пр растет медленно и остается очень малым. Это объясняется наличием потенциального барьера, который препят­ствует, несмотря на снижение, диффузии основных носителей заряда, а также большим сопротивлением области р-п перехода, обедненной носителями заряда. С дальнейшим увеличением U_np потенциальный барьер исчезает и прямой ток быстро нарастает. Это соответствует интенсивной диффузии через р-п переход ос­новных носителей заряда при отсутствии области перехода, обед­ненной этими носителями заряда.

Обратный ток создается дрейфом через р-п переход неоснов­ных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных но­сителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого. При небольшом увеличении обратного напряжения от 0 обратный ток сначала возрастает до значения, равного величине теплового тока /_т, а с дальнейшим увеличением U_o6p ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носи­телей заряда, встречное движение которых уменьшает результи­рующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия пре­кращается, величина обратного тока определяется только дви­жением через переход неосновных носителей, количество кото­рых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя U_o6pMpo6l приводит к пробою электронно­дырочного перехода, т. е. к резкому уменьшению обратного со­противления и, соответственно, росту обратного тока.

Свойство р-п перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют од­носторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.

На рис. 1.11, а пунктирной линией показано влияние по­вышения температуры на прямую и обратную ветви вольт-ам- перной характеристики р-п перехода. Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная — ниже. Таким образом, повышение, температуры при неизменном внеш­нем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера ф₀.

Рассмотрим причины, вызывающие пробой р-п перехода и процессы, которые при этом происходят.

Пробоем р-п перехода называют, как было сказано, резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением крити­ческого для данного прибора значения U₀бр.проб- Пробой р-п пере­хода происходит при повышении обратного напряжения вследст­вие резкого возрастания процессов генерации пар свободный электрон — дырка. В зависимости от причин, вызывающих до­полнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой в свою очередь делится на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой — электрический пробой р-п перехода, вы­званный лавинным размножением носителей заряда под дейст-

г

вием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носите­лями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется электрическим полем в облас­ти р-п перехода. При достижении определенной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию, что­бы при столкновении с атомами полупроводника отрывать ва­лентные электроны из ковалентных связей кристаллической ре­шетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар электрон—дырка также ускоряется электрическим полем, и они в свою очередь участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток че­рез переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину р-п перехода. В этом случае ускоряе­мые электрическим полем носители заряда успевают в проме­жутке между двумя столкновениями с атомами получить доста­точную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега меж­ду двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на р-п переходе остается постоян­ным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольт-амперной характеристики (см. рис. 1.11,6).

Туннельный пробой — это электрический пробой р-п перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кри­сталлической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с уз­ким р-п переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность элект­рического поля. При этом возможен туннельный эффект, за­ключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости n-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электриче­ского поля на границе двух областей с разными типами электро­проводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов р-области становится такой же, как энер­гия свободных электронов n-области (рис. 1.11, в). Электроны переходят на энергетической диаграмме как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свобод­ную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе, соответственно, через р-п переход. В результате перехода допол­нительных неосновных носителей заряда возникает туннельный

ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на р-п переходе при туннельном пробое остает­ся постоянным (вертикальный участок кривой 2 на рис. 1.11,6). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается.

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и тун­нельного, не разрушают р-п переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, об­ратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства при­бора восстанавливаются.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом р-п перехода, в результате которого происходит интенсивная генера­ция пар носителей заряда — разрушение ковалентных связей за счет тепловой энергии. Этот процесс развивается лавинообраз­но, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева при­водит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обрат­ного тока.

Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности р-п перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще силь­нее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок р-п перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике (кривая,? рис. 1.11,6) соответст­вует росту обратного тока при одновременном уменьшении па­дения напряжения на р-п переходе.

Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обратного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при пло­хом теплоотводе, когда выделяемое в р-п переходе тепло пре­вышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой про­бой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.

Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур и допустимое обрат­ное напряжение (примерно 0,8 от пробивного).

Емкость р-п перехода. Электронно-дырочный переход обла­дает определенной электрической емкостью, складывающейся из двух емкостей — барьерной и диффузионной. Они создаются объ­емными зарядами противоположного знака: во-первых, непод­вижными положительными зарядами ионов доноров и отрица­тельными — ионов акцепторов; во-вторых, подвижными объемны­ми зарядами дырок и электронов, инжектированных из области, где они были основными, в область, где они являются неоснов-

35

2*

ными. Во втором случае инжекция дырок из p-области в п-об­ласть создает в ней у границы большую концентрацию неоснов­ных носителей положительного заряда, а инжекция электронов в противоположном направлении создает в p-области у границы большую концентрацию неосновных носителей отрицательного заряда.

Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов до­норов и акцепторов, создающих в р-п переходе как бы плоскост­ной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь р-п перехода и меньше его ширина. Ширина р-п перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном на­пряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем боль­ше и₀б_Р. Это используется в полупроводниковых приборах (вари­капах), служащих конденсаторами переменной емкости, величи­на которой управляется напряжением. Барьерная емкость в за­висимости от площади р-п перехода составляет десятки и сотни пикофарад.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектирован­ных электронов и дырок по обе стороны от р-п перехода, где их концентрация в результате диффузии через р-п переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом на­пряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и зна­чительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пико­фарад. При обратном напряжении она практически отсутствует.

Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном — барьерную.

Контрольные вопросы

1. Какие процессы происходят в р-п переходе при отсутствии внешнего напря­жения?

2. Как влияет на величину потенциального барьера прямое напряжение на р-п переходе и какие процессы при этом происходят?

3. Как влияет на величину потенциального барьера обратное напряжение на р-п переходе и какие процессы при этом происходят?

4. Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику р-п перехода.

5. Какие виды пробоя могут произойти в р-п переходе?

6. Чем обусловлены барьерная и диффузионная емкости р-п перехода?