Физические процессы в p-n-переходе
Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, другая – дырочную.
Разность потенциалов φк в переходе, обусловленную градиентом концентрации носителей заряда, называют контактной разностью потенциалов
φк = 
, (1)
где k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура;
Na и Nд – концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; рр и рn – концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; ni – концентрация собственных носителей. Обычно контактная разность потенциалов имеет порядок десятых долей вольта.
Полупроводниковый прибор с р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (далее диод). Одна из областей
р-n-структуры (р+), называемая эмиттером, имеет концентрацию основных носителей заряда на несколько порядков больше, чем другая область, называемая базой.
Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода изображена на рисунке 1. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением
I = I0 (еU/(m φт) – 1),(2)
где I0 – обратный ток насыщения (ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда); U – напряжение на р-n-переходе; φт = kT/e – температурный потенциал; m – поправочный коэффициент: m = 1 для германиевых
p-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе.
Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при
данном масштабе практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ у кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых.
Влияние температуры. На вольт-амперную характеристику диода существенное влияние оказывает температура окружающей среды. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Для германиевых диодов
I0(T) = I01 2(T – T1)/10 ,
где ток I01, измерен при температуре Т1.
 |
Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 ÷ 100°С для германиевых диодов и 150 ÷ 200 °С для кремниевых. Минимально допустимая температура диодов лежит в пределах – (60 ÷ 70)°С.
Если через кремниевый диод протекает прямой постоянный ток, то при увеличении температуры падение напряжения на диоде уменьшается с темпом
2,5 мВ/oС
dU/dT = – 2,5 мВ/°С. (3)
На рисунке 1 влияние повышения температуры на прямой ветви кремниевого диода показано штрихпунктирной линией.
Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:
rдиф = dU/dI. (4)
Из выражения (4) следует, что
rдиф = φт/I. (5)
Пробой диода. При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока рисунок 2. Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n-переходе (рис. 2, кривая а) (электрический пробой может быть туннельным или лавинным), либо в результате разогрева перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (рис. 2, кривая б) (тепловой пробой). Электрический пробой при определенных условиях обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения.
Возможность теплового пробоя диода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения и температурного диапазона работы. Напряжение пробоя зависит от типа диода и температуры окружающей среды. Значение допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5 ÷ 0,8)·Uпроб.
Емкости диода. Принято говорить об общей емкости диода СД, измеренной между выводами диода при заданных напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости С6, диффузионной емкости Сдиф и емкости корпуса прибора СК.
Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом, сосредоточенным по обе стороны от границы р-n-перехода.
Барьерная емкость равна отношению приращения заряда на р-n-переходе к вызвавшему его приращению напряжения:
Сб = dQ/dU = S 
, (6)
где ε – диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала;
S – площадь р-n-перехода.
Из формулы (6) следует, что барьерная емкость зависит от площади перехода S, напряжения U, приложенного к переходу, а также от концентрации примесей. Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.
Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого напряжения, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости. Диффузионная емкость
Сдиф ≈ IПРτе/kT, (7)
где τ – время жизни носителей заряда;
IПР – прямой ток.
Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость p-n-перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью,
а при обратном напряжении – барьерной емкостью.
Схема замещения полупроводникового диода изображена на рисунке. 3. Здесь
СД – общая емкость диода, зависящая от режима работы;
RП – сопротивление перехода, значение которого определяют с помощью статической ВАХ диода (RП = U/I);
rб – распределенное электрическое сопротивление базы диода, его электродов и выводов. Иногда схему замещения на высоких частотах дополняют емкостями СВХ, СВЫХ и индуктивностью выводов.
Дата добавления: 2015-06-12; просмотров: 1423;