P-n перехід в зовнішньому електричному полі.

Розглядаючи процеси в p-n переході при подачі зовнішньої напруги будемо так само вважати, що опір збідненої області, де рухомих носіїв заряду практично немає, значно більше, ніж опір областей n та p типу поза переходом. Це допущення дозволить вважати, що вся зовнішня напруга падає на p-n переході, а контактна різниця потенціалів на кінцях напівпровідника, відповідно змінюється до величини j_K±U_{зовнішнє}, де знак "+" відповідає накладанню прямої напруги на p-n перехід (рис.а), а знак "-" подачі зворотньої напруги (рис.г).

Розподіл потенціалу вздовж структури p-n переходу показаний на рис.б та рис.д.

При прямій напрузі (U_{зовнішнє}>0) зменшення потенційного бар'єру призводить до переважання потоку електронів з емітера в базу (ПОНЗ) над потоком електронів з бази в емітер (ПННЗ). При цьому електрони інжектуються в базу, концентрація електронів на кордоні x_p зростає і значно перевищує рівноважну концентрацію в базі. Таким чином, інжекція електронів базу призводить до появи нерівноважних носіїв у базі. Внаслідок виникнення перепаду концентрації в базі починається процес дифузії електронів від межі переходу x_p в глибину p-бази. По мірі руху нерівноважна концентрація зменшується за рахунок рекомбінації. Таким чином, три процеси визначають розподіл нерівноважної концентрації в базі p-n переходу при прямій напрузі:

Інжекція - викликає збільшення граничної концентрації, тобто приводить до появи нерівноважних носіїв заряду в базі;

Дифузія - є причиною руху електронів через базу;

Рекомбінація - призводить до зменшення нерівноважної концентрації в базі далеко від p-n переходу.

Провівши аналогічні міркування для зворотного зміщення, зазначимо таке: p-n перехід при зворотному зміщенні екстрагує (виводить) електрони з бази. Гранична концентрація зменшується в порівнянні з рівноважною. Три процеси визначають зворотний струм p-n переходу:

Екстракція електронів з бази;

Дифузія їх з глибини бази до межі переходу;

Генерація пар електрон - дірка в області переходу.

Збільшення температури p-n переходу приводить до збільшення теплового струму, а, отже, до зростання прямого і зворотного струмів.

Збільшення концентрації легуючих домішок призводить до зменшення теплового струму, а, отже, до зменшення прямого і зворотного струмів p-n переходу.

1. ВАХ ідеального p-n переходу.

ВАХ p-n-переходу описується виразом:

де i₀ - тепловий струм p-n переходу, який визначається фізичними властивостями напівпровід-никового матеріалу та температурою;

U - напруга, прикладена до р-n переходу;

ехр - основа натуральних логарифмів;

q - заряд електрона;

k - постійна Больцмана;

Т - абсолютна температура р-n переходу.

-температурний потенціал, при кімнатній температурі рівний приблизно 0,025 В.

На рис. побудована ВАХ ідеального p-n-переходу. При побудові ВАХ приймемо T = 300К, тоді kT / q = 0,026 В.

Оцінимо прямий і зворотній струми p-n переходу при подачі зовнішньої напруги U = ± 0,26 В.

При прямій напрузі U = 0,26 В:

i = i₀ • [e¹⁰ - 1] = i₀ • e¹⁰>> i₀

Таким чином, вже при U = 0,26 В величина прямого струму значно перевищує тепловий струм p-n переходу.

При зворотній напрузі U = - 0,26 В:

i = i₀ · [e^–10 – 1]» - i₀.

В таблиці наведені дані, про значення відношення струму через перехід до теплового струму при прямій напрузі (I_прямий / I₀₎ та при зворотній напрузі (I_{зворотній} / I₀) при різних величинах прикладеної зовнішньої напруги.

Таким чином, при зворотній напрузі через p-n перехід протікає тепловий струм i₀, значення якого не залежить від величини прикладеної зворотної напруги.

ВАХ p-n переходу представляє собою нелінійну залежність між струмом і напругою. В загальному випадку до p-n переходу може бути докладено як постійну напругу, що визначає робочу точку на характеристиці, так і змінну напругу, амплітуда якого визначає переміщення робочої точки по характеристиці. Якщо амплітуда змінної напруги мала, переміщення робочої точки не виходить за межі малої ділянки характеристики і її можна замінити прямою лінією. Тоді між малими амплітудами струму і напруги (або між малими приростами струму і напруги Δi та ΔU) існує лінійний зв'язок. У цьому випадку p-n перехід на змінному струмі характеризують диференційним опором r_pn:

При прямій напрузі r_pn малий і складає одиниці - сотні ом, а при зворотній напрузі - великий і складає сотні і тисячі кілоом. Диференційний опір r_pn можна визначити графічно за ВАХ де вказані DU та Di

1. ВАХ реального p-n переходу.

На рис. наведена ВАХ реального p-n переходу, тут же пунктиром показана ВАХ ідеального p-n переходу. Розглянемо основні причини, що призводять до відмінності характеристик.

При прямій напрузі на p-n переході (область 1) відхилення реальної характеристики від ідеальної пов'язано з кінцевим (не нульовим) опором слаболегованної області бази - r_Б. Частина зовнішнього напруги падає на об'ємному опорі бази r_Б, тому напруга на p-n переході зменшується до величини U_pn=U_пряме - r_Б • i_рn. З урахуванням опору бази, прямий струм реального p-n переходу описується рівнянням:

Таким чином, при однаковій величині прямої напруги струм реального p-n переходу буде менше, ніж ідеального.

Наростання падіння напруги на діоді при великих струмах відхиляється від експоненціального вигляду і стає більш лінійним. Це пояснюється тим, що стає помітним падіння напруги на омічному об'ємному опорі напівпровідника, з якого сформовано діод.

При зворотній напрузі зворотний струм реального переходу виявляється більшим, ніж струм ідеального переходу, а, крім того, величина зворотного струму залежить від зворотньої напруги (область 2 на рис.). Причиною цього відмінності є теплова генерація в області об'ємного заряду. Внаслідок малої концентрації носіїв заряду в p-n переході, швидкість генерації пар носіїв заряду в цій області переважає над швидкістю рекомбінації; будь-яка пара носіїв заряду, що генерується в цій області, розділяється полем переходу, а отже, до теплового струму додається генераційна складова. Величина струму генерації пропорційна ширині p-n переходу, а отже, залежить від прикладеної зворотної напруги. Для германієвих p-n переходів обидві складові зворотного струму одного порядку; для кремнієвих p-n переходів струм генерації на кілька порядків може перевищувати тепловий струм.

При досить великих зворотніх напругах (область 3 на рис.) в p-n переході може статися пробій. Пробоєм називається необмежене збільшення струму при постійній або навіть меншій напрузі на p-n переході. Розрізняють три види пробою: лавинний, тунельний, тепловий.

Лавинний пробій (область 3, ) пов'язаний з виникненням ударної іонізації атомів напівпровідника в області об'ємного заряду при високій напруженості електричного поля. При великих зворотних напругах процес ударної іонізації лавиноподібно наростає, що призводить до збільшення зворотного струму.

Тунельний пробій пов'язаний з тунельними переходами електронів крізь вузький і високий потенційний бар'єр. Такий пробій виникає в p-n переходах на базі сильнолегованих областей n та p-типу.
Лавинний і тунельний пробої озворотні, тобто при включенні в коло p-n переходу обмежуючого струм опору ці види пробою не призводять до руйнування самого переходу.

Тепловий пробій (область 4, рис.) настає за умови, коли потужність, що виділяється в p-n переході виявляється більшою, ніж потужність, що відводиться. У цьому випадку температура p-n переходу лавиноподібно зростає, що в кінцевому рахунку призводить до незворотного руйнування p-n переходу. Щоб запобігти тепловому пробою, необхідно покращувати тепловідвід від p-n переходу.
ПрослушатьНа латиницСловарь - Открыть словарную статью