Емкость p-n-перехода

Так как при обратном смещении p-n-перехода образуются концентрированные неподвижные заряды, его можно рассматривать как электрический конденсатор. Такая система будет иметь барьерную емкость, зависящую от площади и ширины p-n-перехода, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. Величина барьерной емкости влияет на динамические свойства p-n-перехода и используется в некоторых приборах.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое запрещенная зона, зона проводимости и валентная зона.

2. Как получают примесные полупроводники.Перечислите виды полупроводниковых резисторов и их предназначение. при прямом и обратном смещениях p-n-перехода.

3. Объясните процессы возникающи

Литература [1, 2].

3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ приборы

Диоды

Полупроводниковый диод представляет собой полупро­водниковый кристалл с двумя слоями проводимости, за­ключенный в корпус и снабженный двумя выводами для присоединения во внешнюю цепь.

По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные, импульсные, туннельные, кремниевые стабилитроны, варикапы, магнитодиоды, светоизлучающие диоды, фотодиоды, а также другие элементы, которые построены на основе полупроводникового p-n-перехода.

Общим для всех типов диодов является то, что все они выполнены на основе полупроводникового p-n-перехода. В зависимости от типа диода в качестве рабочего участка используется прямая или обратная ветвь вольт-амперной характеристики p-n-перехода. На рис. 6 показана вольт-амперная характеристика диода. Наиболее общими для всех диодов считаются четыре параметра: предельно допустимый прямой ток I_{пр max}, прямое падение напряжения ∆U_а (на прямой ветви вольт-амперной характеристики), предельно допустимое обратное напряжение U_{обр max} и обратный ток I_обр при заданной температуре кристалла (на обратной ветви вольт-амперной характеристики).

Полная вольт-амперная характеристика диода может быть выражена в аналитической форме уравнением

,

где I_s = SJ_др = I_обр – ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда; j_Т – тепловой потенциал; J_др – плотность тока дрейфа; S – площадь p-n-перехода.

Согласно приведенному выражению при U =0 ток I_a = 0. В случае приложения прямого напряжения (U = U_a > 0) в выражении единицей можно пренебречь и зависимость I_a (U_a) будет иметь экспоненциальный характер. В случае обратного напряжения (U = U_b < 0) можно не учитывать достаточно малую величину e^U/j_T и тогда I_a = I_b = I_обр.

Обратная ветвь ВАХ диода показана на рис. 3.1. На участке 0-1 происходит увеличение обратного тока за счет уменьшения тока диффузии до нуля, поэтому составляющей обратного тока остается только ток дрейфа. На участке 1-2 у идеальных диодов обратный ток не изменяется, так как при неизменной температуре количество неосновных носителей заряда, создающих обратный ток, при изменении обратного напряжения не меняется. Однако в реальных диодах существует ток утечки, поэтому на самом деле участок 1-2 имеет наклон. На участке 2-3 проявляется влияние явления генерации носителей заряда, которое на участке 3-4 приводит к электрическому пробою.

Электрический пробой может быть лавинным или туннельным. Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей заряда в p-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. При соответствующей напряженности электрического поля носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда – электроны и дырки, которые ускоряясь полем при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер. В основе туннельного пробоя лежит непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом электроны и дырки увеличивают обратный ток через p-n-переход.

Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми процессами. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.

Участок 4-5 вольт-амперной характеристики диода соответствует тепловому пробою, который возникает при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно, так как увеличение числа носителей заряда за счет увеличения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев p-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением p-n-перехода и выходом прибора из строя.

Тепловой пробой может произойти в результате перегрева отдельного участка p-n-перехода вследствие протекания большого обратного тока при лавинном или туннельном пробое. Произведение обратного напряжения на диоде на обратный ток, протекающий по диоду - это мощность, рассеиваемая на нем, которая преобразуется в тепло, разогревающее p-n-переход, и при определенных условиях может привести к тепловому пробою.