Вольт-амперная характеристика р-n-перехода

Уравнение (1.10) — это уравнение идеализированного р-п-перехода, на основе которого определяют вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов (рис. 1.10). В этом уравнении 1₀ — называют тепловым или обратным током насыщения. Его значения для полупроводников с определенными концентрациями примесей зависят только от температуры полупроводника и не зависят от приложенного внешнего напряжения U.

Рис. 1.10. Вольт-амперная характеристика идеального р-п-перехода.

Если к р-п-переходу приложено обратное напряжение, то общий потенциальный барьер повышается. Движение основных носителей через переход уменьшается, а при некотором значении напряжения U

совсем прекратится. При этом ток будет обусловлен только движением неосновных носителей. Таким образом:

Результирующий ток р-п-перехода:

При и равном нескольким ф_г (ф_г ~ 25 мВ при Т = 300 К) током основных носителей можно пренебречь. Таким образом /_обр = /₀, поэтому 1₀ — называют обратным током насыщения. Обычно у реальных диодов 7_пр//_обр =10² -10⁵.

Из этого следует, что идеализированный р-п-переход (или идеальный диод) обладает вентильными свойствами. При прямом напряжении через переход течет ток, изменяющийся по экспоненциальному закону (сопротивление мало). При обратном напряжении сопротивление велико, через переход протекает тепловой ток, значение которого не зависит от приложенного напряжения и увеличивается по экспоненциальному закону при повышении температуры.

Вольт-амперная характеристика реального р-n-перехода

В действительности характеристики реального р-п-перехода или реального диода (рис. 1.11) отличаются от рассмотренного идеального р-п-перехода (рис. 1.10). Различия в характеристиках обусловлены следующими причинами:

1.В реальных диодах, как правило, используются несимметричные р-п-переходы, для которых выполняется одно из условий

Рис. 7.7 7. Вольт-амперная характеристика реального р-п-перехода Резкое различие в концентрации основных носителей зарядов приводит к тому, что одна из областей полупроводникового кристалла становится низкоомной, а другая — высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении р-п-перехода будет практически целиком определяться потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомная область полупроводникового кристалла называется эмиттером, а высокоомная область — базой. База всегда высокоомна во всех полупроводниковых приборах.

• 2. Сопротивление объема полупроводникового кристалла не равно нулю, и при больших прямых токах им нельзя пренебрегать. Обычно г_э <�зс г_б, поэтому учитывают только г_б, которое оказывает влияние на прямую ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ) р-п-перехода.
• 3. В реальном диоде р-л-переход имеет конечные размеры, вследствие чего необходимо учитывать процессы, происходящие в области и на поверхности р-л-перехода. Наиболее важными из них являются: термогенерация носителей заряда в области р-л-перехода и ток утечки, которые влияют на обратную ветвь ВАХ диода.
• 4. В реальных диодах при больших отрицательных напряжениях на эмиттере наблюдается резкий рост обратного тока. Это явление называется пробоем р-п-перехода.

Рассмотрим вольт-амперную характеристику реального диода (см. рис. 1.11). Здесь в первую очередь на прямой ветви следует учесть, что при малом напряжении на базе:

Введем эту поправку в уравнение для идеализированного диода, чтобы учесть различие между падением напряжения на переходе U и величиной приложенного напряжения эмиттер — база и_эб

и для напряжения:

В области малых токов поправка 1-г₆ мала и ею пренебрегают. Однако с увеличением тока напряжение на базе U₆ растет линейно, а напряжение U — логарифмически, т. е. более слабо. Поэтому при достаточно большом токе всегда превалирует напряжение U₆ и экспоненциальная характеристика диода вырождается. Вырожденный участок называется омическим. При малом уровне инжекции.

^гб =Рб^, —> ^гД^{е w} — толщина базы; S — площадь поперечного сечения S

при р_б =5 Ом-см; о) = 0,02 см; S = 0,01 => г_б =10 Ом. Обычно г_б лежит в пределах от 1ч-2 до 20-^30 Ом. Ток вырождения, равный /_в = ф_т/г_бпри г_б = 10 Ом, составляет /_в = 2,5 мА.

Даже у мощных диодов при г_б «1 Ом ток вырождения не превышает 20-^30 мА, т. е. соответствует начальному участку характеристики (ВАХ) диода.

При приложении обратного напряжения у реального диода, кроме теплового тока, необходимо учесть еще ток термогенерации, который обусловлен генерацией носителей в самом переходе. Следует отметить, что процессы генерации и рекомбинации носителей происходят во всех частях выпрямительной структуры — как в нейтральных слоях лир, так и в области перехода. В равновесном состоянии скорости генерации и рекомбинации везде одинаковы, поэтому направленных потоков носителей нет. Когда к переходу приложено обратное напряжение, область перехода дополнительно обедняется носителями. Поэтому рекомбинация здесь замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыточные генерируемые носители уносятся электрическим полем в нейтральные слои: электроны в л-слой, дырки в p-слой. Эти потоки и образуют ток термогенерации I_G. При обратном включении, когда и" ф_г ширина перехода увеличивается, соответственно, растет и ток термогенерации, что и показывает обратная ветвь характеристики диода.

Кроме генерационных процессов в области объемного заряда на вид обратной ветви ВАХ влияют:

• — лавинное умножение (имеющее место при больших напряженностях электрического поля в р-л-переходе);
• — туннельный эффект;
• — поверхностные утечки (по причине загрязнения поверхности) и поверхностный пробой (в месте выходар-л-перехода на поверхность);
• — диффузия неосновных носителей заряда (при обратном смещении происходит экстракция неосновных носителей заряда из областей полупроводника, примыкающих к контактам).

При этом концентрация неосновных носителей вблизи границы области объемного заряда падает, а в прилегающей к контакту области создается градиент концентрации неосновных носителей и протекает диффузионный ток. Это приводит к движению через р-л-переход неосновных носителей, генерируемых в объеме полупроводника и на невыпрямляющих контактах;

— изменение температуры (выделяется мощность на сопротивлении перехода, которая повышает температуру). По этой причине каждой точке ВАХ, снятой на постоянном токе, соответствует своя температура. Так как изменение температуры влияет на все параметры, определяющие значение тока, то от температуры будут зависеть и вид ВАХ реальных переходов.