Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Расчетно-графическая работа - p-n переход.doc
Скачиваний:
58
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
2.22 Mб
Скачать

Вольт-амперная характеристика

Чтобы вывести зависимость величины тока через p—n-переход от внешнего смещающего напряженияV, мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи. В дальнейшем будем обозначать символомJплотность потока частиц, а символомj— плотность электрического тока; тогдаje= −eJe,jh=eJh.

При V= 0 какJe, так иJhобращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). ПриV≠ 0 баланс нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток через обеднённый слой.Он включает следующие две компоненты:

Ток генерации, то есть дырочный ток, текущий из n-области вp-область перехода. Как видно из названия, этот ток обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно вn-области обеднённого слоя при тепловом возбуждении электронов с уровней валентной зоны. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) вn-области чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в переносе тока через переход. Это происходит потому, что каждая дырка, попадающая в обеднённый слой, тут же перебрасывается вp-область под действием сильного электрического поля, которое имеется внутри слоя. В результате величина возникающего тока генерации не зависит от значения изменения потенциала в обеднённом слое, поскольку любая дырка, оказавшаяся в слое, перебрасывается изn-области вp-область.

Ток рекомбинации, то есть дырочный ток, текущий из p-области вn-область. Электрическое поле в обеднённом слое препятствует этому току, и только те дырки, которые попадают на границу обеднённого слоя, имея достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер, вносят вклад в ток рекомбинации. Число таких дырок пропорциональноe−eΔФ/kTи, следовательно,

В отличие от тока генерации, ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения V. Мы можем сравнить величины этих двух токов, заметив, что приV= 0 суммарный ток через переход отсутствует:Jhrec(V= 0) =JhgenИз этого следует, чтоJhrec=JhgeneeV/kT. Полный дырочный ток, текущий изp-области вn-область, представляет собой разность между токами рекомбинации и генерации:

Jh = Jhrec − Jhgen = Jhgen(eeV/kT − 1).

Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам. Поскольку электроны имеют противоположный заряд, электрические токи генерации и рекомбинации электронов совпадают по направлению с электрическими токами генерации и рекомбинации дырок. Поэтому полная плотность электрического тока есть j=e(Jhgen+Jegen)(eeV/kT− 1).

Ёмкость p — n-перехода и частотные характеристики

p — n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и p-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p — n-перехода. За счёт барьерной ёмкости работают варикапы.

Кроме барьерной ёмкости p — n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p — n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p — n-переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.

Суммарная ёмкость p—n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей. Эквивалентная схемаp—n-перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлениюp—n-переходаRа включены диффузионная ёмкостьCд и барьерная ёмкость Сб; последовательно с ними включено объёмное сопротивление базыr. С ростом частоты переменного напряжения, поданного наp—n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее,Rа шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивлениеp—n-перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотахp—n-переход теряет свои нелинейные свойства.

Пробой pn-перехода

Пробой диода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхостный и тепловой пробои.

Лавинный пробой (ударная ионизация) является наиболее важным механизмом пробоя p—n-перехода. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения большинства диодов. Пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.

Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещённую зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещённой зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряжённостью электрического поля, то есть наклоном энергетических уровней и зон. Следовательно, условия для туннелирования возникают только при определённой напряжённости электрического поля или при определённом напряжении на электронно-дырочном переходе — при пробивном напряжении. Значение этой критической напряжённости электрического поля составляет примерно 8∙105 В/см для кремниевых переходов и 3∙105 В/см — для германиевых. Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит от напряжённости электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода.

Поверхостный пробой (ток утечки). Реальные p-n-переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхостных зарядов междуp- иn- областями могут образовываться проводящие пленки и проводящие каналы, по которым идет ток утечкиIут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения и может привысить тепловой токI0 и ток генерацииIген. ТокIут слабо зависит от температуры. Для уменьшенияIут применяют защитные пленочные покрытия.

Тепловой пробой — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче обратного напряжения практически всё оно падает на p—n-переходе, через который идёт, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся мощность вызывает разогревp—n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. При недостаточном теплоотводе эта мощность вызывает дальнейшее увеличение тока, что приводит к пробою.Тепловой пробой, в отличие от предыдущих, необратим.