- диффузия - является причиной движения электронов (ННЗ) через базу;
- рекомбинация - приводит к уменьшению неравновесной концентрации в базе вдали от p-n-перехода.
Распределение концентрации электронов в базе показано на рис. 2.2,в, оно описывается уравнением (1.34)
,
где n(x=xp=0) - граничная концентрация , 
Ln -диффузионная длина электронов в базе.
Прямой электронный ток через p-n-переход может быть определен в любом сечении двухэлектродной структуры, однако удобнее это сделать в сечении xp, где задана граничная концентрация. электронов
По своей природе электронный ток в сечении xp является диффузионным и может быть рассчитан по формуле (1.44)
,
где S - площадь p-n-перехода, q - заряд электрона, Dn - коэффициент диффузии электронов.
С учетом 
прямой ток p-n - перехода определяется выражением:
. (2.5)
Обозначим 
, эта величина имеет размерность тока, определяется концентрацией неосновных носителей заряда в базе np и называется тепловым током i0.
Проведя аналогичные рассуждения для обратного смещения, отметим следующее: p-n-переход при обратном смещении экстрагирует (выводит) электроны из базы. Граничная концентрация уменьшается по сравнению с равновесной и определяется выражением:
,
которое отличается от соответствующего выражения при прямом напряжении полярностью напряжения U в экспоненте.
Три процесса определяют обратный ток p-n-перехода:
- экстракция электронов из базы;
- диффузия их из глубины базы к границе перехода xp;
- генерация пар электрон - дырка в областях, где n(x)<np.
Распределение потенциала j(x) и концентрации n(x) для обратного напряжения приведены на рис. 2.2 г, д,е - правый столбец.
Вывод выражения для электронной составляющей обратного тока через p-n-переход полностью аналогичен выводу прямого тока.
Выражение для электронной составляющей обратного тока отличается от (2.5) только знаком внешнего напряжения и имеет вид :
.
Таким образом, ВАХ p-n-перехода описывается выражением
,
где i0 - тепловой ток p-n-перехода, с учетом дырочной составляющей тепловой ток может быть записан в виде:
. (2.6)
Тепловой ток p-n-перехода определяется потоками ННЗ и зависит от концентрации примеси ( так как np = ni2/NA; pn = ni2/ND ) и температуры (так как: ni2~ exp T2 ).
Увеличение температуры p-n- перехода приводит к увеличению теплового тока, а, следовательно, к возрастанию прямого и обратного токов.
Увеличение концентрации легирующей примеси приводит к уменьшению теплового тока, а, следовательно, к уменьшению прямого и обратного токов p-n-перехода.
На рис. 2.3 построена ВАХ идеального p-n-перехода, полученного при принятых нами допущениях. При построении ВАХ примем T= 300К, тогда kT/q = 0,026В. Оценим прямой и обратный токи p-n перехода при подаче внешнего напряжения U=±0,26 В. При U=+0,26 В (прямое напряжение) (2.5) приводится к виду:
i = i0• (exp 10 – 1) » i0·exp 10 >> i0
Таким образом, уже при U = 0,26 В величина прямого тока значительно превышает тепловой ток p-n перехода.
При U = - 0,26 В (обратное напряжение)
i = i0 · (exp–10 – 1) » - i0.
Таким образом, при обратном напряжении через p-n переход протекает тепловой ток i0 , значение которого не зависит от величины приложенного обратного напряжения.
ВАХ p-n-перехода представляет собой нелинейную зависимость между током и напряжением. В общем случае к p-n-переходу может быть приложено как постоянное напряжение, определяющее рабочую точку на характеристике, так и переменное напряжение, амплитуда которого определяет перемещение рабочей точки по характеристике. Если амплитуда переменного напряжения мала, перемещение рабочей точки не выходит за пределы малого участка характеристики и его можно заменить прямой линией. Тогда между малыми амплитудами тока и напряжения (или между малыми приращениями тока и напряжения Di и Du) существует линейная связь. В этом случае p-n-переход на переменном токе характеризуют дифференциальным сопротивлением rpn:
.
Аналитическое выражение rpn получим, дифференцируя (2.5)
При прямом напряжении rpn мало и составляет единицы - сотни ом, а при обратном напряжении - велико и составляет сотни и тысячи килоом.
Дифференциальное сопротивление можно определить графически по характеристике. (См. рис. 2.3, где указаны Du и Di).
2.3. ВАХ реального p-n-перехода
На рис.2.4 приведена вольтамперная характеристика реального p-n - перехода, здесь же пунктиром показана характеристика идеального p-n-перехода. Рассмотрим основные причины, приводящие к отличию характеристик.
При прямом напряжении на p-n - переходе (область 1 ) отклонение реальной характеристики от идеальной связано с конечным ( не нулевым) сопротивлением слаболегированной области базы (rБ'). Часть внешнего напряжения U падает на объемном сопротивлении базы rБ', поэтому напряжение на p-n-переходе уменьшается до величины Upn=U-i rБ'. С учетом сопротивления базы, прямой ток реального p-n-перехода описывается уравнением:
. (2.7)
Таким образом, при одинаковой величине поданного напряжения ток реального p-n-перехода будет меньше, чем идеального.
При обратном напряжении обратный ток реального перехода оказывается больше чем ток идеального перехода, и, кроме того, величина обратного тока зависит от обратного напряжения (область 2 на рис. 2.4). Причиной этого отличия является то, что при выводе выражения (2.5) нами не учитывалась тепловая генерация в области объемного заряда. Вследствие малой концентрации носителей заряда в p-n-переходе скорость генерации пар носителей зарядов в этой области преобладает над скоростью рекомбинации; любая пара носителей заряда, генерируемая в этой области, разделяется полем перехода, а, следовательно, к тепловому току добавляется генерационная составляющая.
При обратном напряжении обратный ток реального перехода оказывается больше, чем ток идеального перехода, а, кроме того, величина обратного тока зависит от обратного напряжения (область 2 на рис. 2.4). Причиной этого отличия является то, что при выводе выражения (2.5) нами не учитывалась тепловая генерация в области объемного заряда. Вследствие малой концентрации носителей заряда в p-n-переходе, скорость генерации пар носителей заряда в этой области преобладает над скоростью рекомбинации; любая пара носителей заряда, генерируемая в этой области, разделяется полем перехода, а следовательно, к тепловому току добавляется генерационная составляющая ( Рис. 2.5).
Величина тока генерации пропорциональна ширине p-n - перехода, а следовательно, зависит от приложенного обратного напряжения. Для германиевых p-n-переходов обе составляющие обратного тока одного порядка; для кремниевых p-n-переходов ток генерации на несколько порядков может превышать тепловой ток.
При достаточно больших обратных напряжениях (область 3 на рис. 2.4) в p-n-переходе может произойти пробой. Пробоем называется неограниченное увеличение тока при постоянном или даже уменьшающемся напряжении на p-n-переходе.
Различают три вида пробоя: лавинный, туннельный, тепловой.
Лавинный пробой ( область 3, рис. 2.4) связан с возникновением ударной ионизации атомов полупроводника в области объемного заряда при высокой напряженности электрического поля. При больших обратных напряжениях процесс ударной ионизации лавинообразно нарастает, что приводит к увеличению обратного тока.
Туннельный пробой связан с туннельными переходами электронов сквозь узкий и высокий потенциальный барьер. Такой пробой возникает в p-n-переходах на базе сильнолегированных областей n - и p-типа.
Лавинный и туннельный пробои обратимы, то есть при включении в цепь p-n-перехода ограничивающего ток сопротивления эти виды пробоя не приводят к разрушению p-n-перехода.
Тепловой пробой ( область 4, рис. 2.4) наступает при условии, когда выделяемая в p-n-переходе мощность РВЫД. оказывается больше, чем отводимая. В этом случае температура p-n-перехода лавинообразно возрастает, что в конечном счете приводит к необратимому разрушению p-n-перехода. Чтобы предотвратить тепловой пробой, необходимо улучшать теплоотвод от p-n-перехода.
2.4. Влияние температуры на ВАХ p-n-перехода
Вольтамперные характеристики p-n-перехода для двух значений температуры окружающей среды приведены на рис. 2.6. С ростом температуры падает прямое напряжение на p-n-переходе при заданном токе и растет обратный ток при заданном напряжении.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
Основные порталы (построено редакторами)