![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •В.И.Елфимов, н.С.Устыленко основы теории p-n перехода
- •Основы теории p-n перехода.
- •Оглавление
- •1. Физические процессы в p-n переходе 7
- •Введение
- •1. Физические процессы в p-n переходе
- •1.1. Понятие электронно-дырочного перехода
- •1.2. Равновесное состояние p-n перехода
- •1.2.1. Образование p-n перехода
- •Диаграмма 1
- •Диаграмма 5
- •1.2.2. Токи в p-n переходе в равновесном состоянии
- •1.2.3. Контактная разность потенциалов
- •1.2.4. Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии
- •1.3. Неравновесное состояние p-n перехода
- •1.3.1. Прямосмещенный p-n переход
- •1.3.2. Обратносмещенный p-n переход
- •2. Идеальный p-n переход
- •2.1 Основные соотношения для идеального p-n перехода
- •2.2. Вольтамперная характеристика идеального p-n перехода
- •3. Вольтамперная характеристика реального p-n перехода
- •3.1. Прямая ветвь вах реального p-n перехода
- •3.2. Обратная ветвь вах реального p-n перехода
- •4. Виды пробоев p-n перехода
- •4.1. Общая характеристика пробоя p-n перехода
- •4.2. Тепловой пробой p-n перехода
- •4.3. Полевой пробой
- •4.4. Лавинный пробой
- •5. Вопросы для самопроверки
- •Список литературы
- •Основы теории p-n перехода
2.2. Вольтамперная характеристика идеального p-n перехода
Под вольтамперной характеристикой (ВАХ) p-n перехода понимается зависимость тока p-n перехода от значения приложенного к нему напряжения - I=f(U).
При определении данной зависимости необходимо воспользоваться соотношениями и функциями, которые были получены при пояснении математической и физической моделей p-n перехода.
Плотность тока диффузии на границе p-n перехода определяется соотношениями
;
.
Ток через p-n переход состоит из электронной и дырочной составляющих токов:
I=In+Ip,
где In - электронная составляющая тока p-n перехода; Ip – дырочная составляющая тока p-n перехода. In и Ip на границе p-n перехода можно определить:
,
,
где S - площадь p-n перехода; Dn, Dp - коэффициенты диффузии электронов в p-области и дырок в n-области.
Если подставить в выражение для In и Ip избыточные концентрации электронов np(0) на границе p-области и дырок pn(0) на границе n-области, исходя из соответствующих граничных условий для модели идеального p-n перехода, то в целом ток через p-n переход опишется вольтамперной характеристикой идеального перехода в виде
,
где Io - тепловой ток, который оценивается из соотношения
.
Здесь учтено, что nnoNД и ppoNа.
В приведенных соотношениях обозначено: U - напряжение на p-n переходе, оно задается как в прямом смещении, так и при обратном включении p-n перехода; n,p - время жизни электронов в p-области и дырок в n-области; T=kT/e -температурный потенциал.
По существу, Io представляет собой дрейфовую составляющую тока p-n перехода, которая образуется при движении неосновных носителей заряда через p-n переход в его ускоряющем электрическом поле. Произведение теплового тока на экспоненциальный сомножитель представляет диффузионную составляющую тока через p-n переход.
Теоретическая ВАХ p-n перехода представлена графиком на рис.14.
При малых прямых напряжениях прямой ток определяется величиной, близкой к тепловому току, но уже при Uпр2,3Т (приблизительно 60 мВ при T = 300 К) I >10Iо. При подаче обратного напряжения диффузионная составляющая тока резко уменьшается и при Uобр=(23)Т Iоexp[Uобр/Т]0, а величина обратного тока определяется значением теплового тока I=-Iо, далее обратный ток не зависит от величины Uобр. Поэтому ток Iо называют током насыщения или тепловым током и упрощенно его определяют, исходя из следующих соотношений
,
,
где B - коэффициент, зависящий от материала полупроводника; S - площадь p-n перехода.
Р
ис.14
Положение ВАХ идеального p-n перехода зависит от температуры окружающей среды и степени легирования областей p-n перехода. Влияние температуры на ВАХ показано на рис.15.
Р
1 – Т1=+20С
2 – Т2=+40С
Ток Iо с увеличением температуры растет экспоненциально, так как экспоненциально возрастает концентрация неосновных носителей заряда pn в области полупроводника n-типа, а именно pn в основном и определяет величину Iо : pn=ni2/nnconstexp[-Wз/(kT)]. На практике влияние температуры на ток Iо оценивают приближенно: ток насыщения увеличивается в два раза при возрастании температуры на каждые 10С.
Прямая ветвь ВАХ p-n перехода с ростом температуры смещается влево. Это обусловлено тем, что при увеличении температуры, во-первых, возрастает тепловая энергия основных носителей заряда и растет число носителей заряда, энергия которых больше высоты энергетического (потенциального) барьера p-n перехода, во-вторых, снижается высота потенциального барьера и большее число основных носителей заряда создают прямой ток. Рост прямого тока при увеличении температуры в уравнении ВАХ определяется в основном возрастанием тока Iо.
Влияние концентрации примесей областей p-n перехода на ВАХ можно пояснить на основании закона действующих масс для каждой области p-n перехода. Так, для полупроводника p-типа имеем
,
а для полупроводника n-типа:
.
Известно, что ток Iо зависит от концентрации примесей:
.
Отсюда следует, что с ростом Nа и Nд происходит уменьшение тока Iо.