Вольт-амперна характеристика р - n-ПЕРЕХОДУ

Залежність між струмом I і напругою V, задана аналітично або представлена графічно, називається вольт-амперної характеристикою (ВАХ) р- n-переходу. Для отримання статичної вольт-амперної характеристики р- п-переходу потрібно, знаючи прикладена напруга, знайти стаціонарний розподіл дірок в п-і електронів в р-областях, визначити їх градієнти на кордонах переходу і розрахувати дірковий і електронну компоненти струмів.

Кількісний аналіз спрощується при наступних припущеннях:

а) ширина переходу мала, і процесами генерації і рекомбінації носіїв в області переходу можна знехтувати, що дозволяє вважати електронні та діркові інжекційні струми на кордонах переходу незмінними;

б) опір переходу значно більше опору р-і n-областей, і все зовнішнє напруга докладено безпосередньо до р- n-переходу;

в) концентрація неосновних носіїв, інжектованих в кожну область, багато менше концентрації основних носіїв в цих областях, що дозволяє не враховувати дрейфові складові струму в р- і n-областях. Таким чином, поза р- n-переходу неосновні носії рухаються тільки за рахунок дифузії, і, отже, зміна їх концентрації описується рівнянням дифузії. Так, концентрація дірок р в n-області описується рівнянням

(2.6)

Де Lp = - дифузійна довжина, Dp = - коефіцієнт дифузії, μp - рухливість дірок, tр - час життя дірок в n-області при граничних умовах:

а) надлишкові дірки повністю рекомбінують на великому в порівнянні з дифузійної довжиною відстані від р- n-переходу:

(P - pn) | x → ∞ → 0 (2.7)

б) концентрація надлишкових дірок на кордоні р- n-переходу підпорядковується співвідношенню Больцмана:

p (x → - ln) = pnexp (qV / kT). (2.8)

Вирішуючи рівняння (1.1.4) з граничними умовами (2.7) і (2.8) отримаємо:

p = pn [exp (qV / kT) -1] exp (-x / Lp). (2.9)

Дифузний струм дірок через перехід дорівнює

Ip = (1.10)

де S - площа переходу.

Аналогічним способом можна отримати вираз для дифузійного струму електронів:

In = (2.11)

Повний струм через перехід і, отже, через весь прилад дорівнює сумі струмів дірок і електронів:

I = Ip + In = (2.12)

де Is = Ips + Ins = qS - струм насичення, Ips = qS - електронна, а Ins = qS - діркова складові струмів насичення.

При великих значеннях зворотної напруги (2.12), струм через перехід постійний і дорівнює Is, при прямих напругах V >> kT / q ток експоненціально зростає (рис. 2.4). Токи насичення зазвичай дуже малі і складають 10-6 - 10-5 A для германієвих і 10-8 - 10-7 A для кремнієвих переходів з площею в кілька квадратних міліметрів.

Мал. 2.4. Статична вольт-амперна характеристика р- n-переходу. Зворотні характеристики описують такі режими пробою: а - тунельний, б - лавинний; в - теплової

При високих зворотних напругах може наступити пробій р-n-переходу. У цьому випадку струм різко зростає за рахунок ударної іонізації (а), тунельного ефекту (б) або підвищення температури (в), і вираз (1.12) стає непридатним (рис. 2.4).

Напівпровідникові ДІОДИ

Напівпровідникових діодом називають напівпровідниковий прилад з одним електричним pn-переходом і двома виводами.

Залежно від технологічних процесів, використаних при їх виготовленні, розрізняють точкові діоди, сплавні і мікросплавние, з дифузійної базою, епітаксіальні і ін.

За функціональним призначенням діоди ділять на випрямні, універсальні, імпульсні, змішувальні, детекторні, модуляторні, переключають, помножувальні, стабілітрони (опорні), тунельні, параметричні, фотодіоди, світлодіоди, магнітодіоди, діоди Ганна і т. Д. Ідеалізована вольт-амперна характеристика діода описується виразом (2.12).

У реальних діодах пряма і зворотна гілки ВАХ відрізняються від ідеалізованої. Це обумовлено тим, що тепловий струм Is при зворотному включенні становить лише частину зворотного струму діода. При прямому включенні істотний вплив на хід вольт-амперної характеристики робить падіння напруги на опорі бази діода, яке починає проявлятися вже при токах, що перевищують 2-10 мА.

При практичному використанні діодів виділяти складові, які спотворюють ідеалізовану вольт-амперну характеристику, складно і недоцільно. Тому у реальних діодів в якості одного з основних параметрів використовують зворотний струм, який вимірюють при певному значенні зворотної напруги. Так як значення зворотного струму у діодів змінюються в широких межах (від екземпляра до екземпляра), в паспортних даних на кожен вид діода вказується його максимально допустиме значення.

Зворотний струм в кремнієвих діодах на кілька порядків менше, ніж в германієвих і їм часто нехтують.

Пряма гілка вольт-амперної характеристики діода відхиляється від ідеалізованої через наявність струмів рекомбінації в pn-переході, падіння напруги на базі діода, зміни (модуляції) опору бази при інжекції в неї неосновних носіїв заряду і наявності в базі внутрішнього поля, що виникає при великому коефіцієнті інжекції.

Мал. 2.5. Вольт-амперні характеристики германієвого (а) і кремнієвого (б) діодів; умовне позначення (в)

Для малих струмів падіння напруги на переході U

U = kTq-1ln (I / IT + 1).

Падіння напруги на діоді U залежить від струму I, що протікає через нього, і має більше значення у діодів з малим IT. Так як у кремнієвих діодів теплової струм IT малий, то і початкова ділянка прямої гілки характеристики значно більш пологий, ніж у германієвих (рис. 2.5).

Випрямні діоди. Діоди, призначені для перетворення змінного струму в постійний, до швидкодії, ємності pn-переходу і стабільності параметрів яких зазвичай не пред'являють спеціальних вимог, називають випрямними.

Як випрямних діодів використовують сплавні епітаксіальні і дифузійні діоди, виконані на основі несиметричних pn-переходів.

У випрямних діодах застосовуються також і pi-переходи, використання яких дозволяє знизити напруженість електричного поля в pn-переході і підвищити значення зворотної напруги, при якому починається пробою. Для цієї ж мети іноді використовують p + -pn або n + -np-переходи. Для їх отримання методом епітаксії на поверхні вихідного напівпровідника нарощують тонку високоомних плівку. На ній методом вплавлення або дифузії створюють структури р + -р-п або п + -п-р- типу. У таких діодах успішно вирішуються суперечливі вимоги, що складаються в тому, що, по-перше, для отримання малих зворотних струмів, малого падіння напруги в відкритому стані і температурної стабільності характеристик необхідно застосовувати матеріал з можливо малим питомим опором; по-друге, для отримання високої напруги пробою і малої місткості pn-переходу необхідно застосовувати напівпровідник з високим питомим опором.

Епітаксиальні діоди зазвичай мають мале падіння напруги в відкритому стані і високу пробивну напругу.

Для випрямних діодів характерно, що вони мають малі опору в провідному стані і дозволяють пропускати великі струми. Бар'єрна ємність їх через велику площі pn -переходів велика і досягає значень десятків пикофарад.

Германієві випрямні діоди можуть бути використані при температурах, що не перевищують 70-80 ° С, кремнієві-до 120-150 ° С, арсенід-галієві-до 150 ° С.

Date: 2015-05-09; view: 632; Порушення авторських прав