Токи генерации и утечки в реальных диодах

В реальных приборах тепловой ток составляет лишь часть обратного тока, который содержит ряд других составляющих, таких как ток генерации носителей в переходе и ток утечки .

Ток генерации обусловлен следующими процессами, происходящими в диоде.

В реальных диодах величина запирающего слоя имеет конечную величину, т.е. p-n-переход не является бесконечно тонким, и в области запирающего слоя, как и за его пределами, происходят генерация и регенерация носителей заряда. Генерируемые в переходе носители зарядов под действием электрического поля, создаваемого внешним напряжением выходят из пределов запирающего слоя, образуя, таким образом, ток генерации . Увеличение обратного напряжения приводит к расширению запирающего слоя, а значит и к росту объёма, в котором происходит генерация, т. е. с увеличением увеличивается . Выражение для тока генерации / /:

, (1.1.9)

где - концентрация электронов, - величина запирающего слоя; и - время "жизни" электронов и дырок в переходе.

Протяженность реального p-n-перехода не бесконечна. Кроме того, поверхность полупроводникового кристалла характеризуется нарушениями кристаллической решетки и различными загрязнениями, что обуславливает рекомбинационно-генерационные процессы на поверхности p-n-перехода и приводит к появлению дополнительного тока - тока утечки .

Таким образом, обратный ток диода складывается из трех составляющих:

(1.1.10)

Ток утечки может составлять основную часть обратного тока диода, значительно превышая и . Относительная доля и в обратном токе диода зависит от типа исходного полупроводникового материала, так для германия , а для кремния .

Ток утечки также зависит от типа применяемого полупроводникового материала. Для германиевых диодов всегда . Для некоторых типов кремниевых диодов . Из вышесказанного следует, что для германиевых диодов , т.е. обратный ток является тепловым и в большей степени подвержен температурным изменениям и превышает значения обратных токов кремниевых диодов на несколько порядков. Для кремниевых диодов . Реальные обратные токи германиевых диодов, для которых для которых на 7…8 порядков больше, чем для кремниевых, отличаются от обратных токов кремниевых диодов примерно на три порядка.

На рис. 1.1.4. приведены обратные ветви ВАХ для германиевого и кремниевого диодов, на которых показаны основные составляющие обратного тока реальных диодов, причем масштабы рисунков различны, поскольку ток в германиевом диоде на несколько порядков больше, чем в кремниевом.

а) б)

Рис. 1.1.4. Обратная ветвь ВАХ реального диода для а) германиевого и б) кремниевого диодов соответственно.

При увеличении внешнего обратного напряжения на выводах p-n-областей при некотором его значении монотонно, а затем резко возрастает - происходит пробой перехода. Различают несколько видов пробоя.

Рассмотрим сначала природу электрического пробоя. Электрический пробой может быть туннельным и лавинным.

Туннельный электрический пробой наблюдается в очень тонких p-n-переходах при обратных напряжениях до 10В, при которых возникает высокая напряженность электрического поля. Под действием сильного электрического поля валентные электроны приконтактного слоя p-области отрываютсяот атомов и перебрасываются в n-область.

Лавинный электрический пробой инициируется также сильным электрическим полем ( ) и свойственен полупроводникам со значительной толщиной p-n-переходов. В лавинном переходе основная роль принадлежит неосновным носителям, дислоцированным в переходе - они разгоняются электрическим полем и ионизируют атомы. В свою очередь, образовавшиеся новые электроны сталкиваются с другими соседними атомами, и процесс лавинообразно нарастает.

Оба вида электрического пробоя протекают баз разрушения кристаллической структуры полупроводника, а значит, они обратимы.

Тепловым называется пробой p-n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая мощность, выделяющаяся в p-n-переходе и его температура. Под действием теплоты усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. При неизменном обратном напряжении обратный ток растет. Если мощность превысит максимально допустимую мощность , процесс термогенерации лавинообразно разрастается, p-n-переход разрушается и в кристалле происходит необратимая перестройка структуры.