Обратное включение (обратная ветвь)

При выводе ВАХ в p-n-переходе мы не учитывали генерацию и рекомбинацию. На обратной ветви рекомбинация на ток практически не влияет. Зато генерация может привести к увеличению тока через p-n-переход:

= .

При прикладывании внешнего напряжения границы p-n-перехода будут увеличиваться.

> .

Чем больше обратное напряжение, тем больше ток генерации.

Ток генерации практически не зависит от температуры, тепловой же ток сильно зависит от температуры. Поэтому при различных температурах поведение обратной ветви будет различным.

Для германиевых диодов >> . Их обратная ветвь хорошо совпадает с обратной ветвью идеального диода.

А для кремниевых диодов << . Поэтому тока насыщения не будет. Ток всё время будет увеличиваться.

Второе отличие: наличие на обратной ветви реального диода явления пробоя.

Резкое увеличение тока через структуру при достижении определённого обратного напряжения.

Различают три основных вида пробоя:

1. Туннельный электрический пробой.

2. Лавинный электрический пробой.

3. Тепловой пробой.

Электрические пробои при условии ограничения тока в структуре можно удалить. Это обратимые пробои. Прибор восстанавливает свои свойства.

При тепловом пробое возникает разрушение структуры. Это необратимый пробой. Прибор полностью плавится (портится).

2.4 Туннельный пробой

Пробой получил название за счёт туннелирования носителей заряда через запрещённую зону в диодах с небольшой толщиной p-n-перехода.

Явление перехода носителей через узкие потенциальные барьеры без потерь энергии называется туннельным эффектом.

Диоды с эффектами туннельных пробоев называются диодами Зеннера(стабилитронами).

1. Туннельный пробой возможен при пересечении зон, при резких p-n-переходах, имеющих малую толщину. Это сильнолегированные полупроводники.

2. При больших напряжённостях электрического поля.

Туннельный пробой происходит при U < 9 В.

При увеличении температуры уменьшается контактная разность потенциалов. Напряжение туннельного пробоя будет уменьшаться.

Туннельный пробой пропорционален концентрации неосновных носителей.

2.5 Лавинный пробой

Электрон влетает в зону p-n-перехода. Он может выбить узел кристаллической решётки и образовать два носителя: дырку и электрон и так далее.

С ростом температуры увеличиваются колебания кристаллической решётки. Значит, уменьшается длина свободного пробега. При том же напряжении электрон или дырка не смогут набрать энергию ионизации. С ростом лавинного пробоя напряжение увеличивается. I

Лавинный пробой происходит при U > 7 В.

Характеризуется более резким увеличением тока при увеличении температуры, чем туннельный пробой.

В промежуточной области температурная зависимость отсутствует (7-9 В). Происходят одновременно два пробоя: туннельный и лавинный.

2.6 Тепловой пробой

Возникает за счёт выделения в p-n-переходе тепла. Это приводит к увеличению температуры в p-n-переходе. В результате увеличивается обратный ток через диод. Это приводит к увеличению мощности, что в свою очередь влечёт за собой увеличение обратного тока.

Происходит лавинообразное увеличение обратного тока.

Мощность, выделяемая на диоде:

= . (2.5)

Часть мощности будет рассеиваться в окружающей среде:

= . (2.6)

В установившемся режиме мощность выделяемая и мощность отводимая будут равны межу собой.

= , (2.7)

= , (2.8)

где − ток при очень большой температуре прибора (p-n-перехода).

Тепловой пробой имеет такой вид:

В диодах, в которых обратные токи достаточно большие, тепловой пробой может наступить раньше, чем электрический.

В других приборах, в которых обратный ток достаточно мал, сначала происходит электрический пробой, который затем может перейти в тепловой.

В германиевых диодах тепловой пробой происходит раньше. В кремниевых же сначала происходит электрический пробой, а потом тепловой.

Тепловой пробой можно регулировать за счёт отвода тепла от прибора.

Тепловой пробой происходит не во всех областях p-n-перехода одновременно. Возникает т. н. шнур с более высокой температурой, нежели в других областях (высокопроводящий слой).

Толщина такого шнура составляет несколько микрометров.

2.7 Ёмкости p-n-перехода

В p-n-переходе есть две основные ёмкости: барьерная и диффузионная.

1. Барьерная ёмкость возникает в диоде за счёт разделения заряда в районе p-n-перехода, и зависит от напряжения на p-n-переходе. Её можно рассматривать как обычный конденсатор, где диэлектрик – область p-n-перехода, а обкладки – границы p-n-перехода.

При изменении напряжения изменяется барьерная ёмкость.

Барьерная ёмкость для резкого несимметричного p-n-перехода:

= , (2.9)

Барьерная ёмкость для плавного p-n-перехода:

= , (2.10)

где N – концентрация примесных носителей заряда;

a – градиент концентрации примесей.

По характеру изменения барьерной ёмкости можно определить, с каким p-n-переходом мы имеем дело: резким или плавным.

Барьерная ёмкость используется в варикапах – полупроводниковых приборах с электронной ёмкостью.

2. Диффузионная ёмкость возникает в диоде за счёт диффузии носителей заряда при прямом включении. Она пропорциональна прямому току через диод.

= . (2.11)

<< .

2.8 Разновидности диодов