Полная вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Полная вольт-амперная характеристика p-n-перехода приведена на рис. 22.

Рис. 22. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

При прямом включении p-n-перехода с повышением приложенного внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается (см. выражение 18), т. к. уменьшившийся потенциальный барьер способны преодолеть основные носители заряда, обладающие меньшей энергией, в связи с чем возрастает прямой ток через p-n-переход.

В кремниевых диодах величина выше, чем в германиевых. Одинаковая величина внешнего напряжения создает меньшее снижение потенциального барьера, чем в германиевых диодах, и обусловливает меньший прямой ток при одинаковой площади p-n-перехода (рис. 23). Большая величина является одной из причин большего падения напряжения в кремниевых диодах (0, 8…1, 2 В) по сравнению с германиевыми диодами (0, 3…0, 6 В) при протекании тока в прямом направлении.

Рис. 23. ВАХ кремниевого и германиевого p-n-переходов при прямом включении

Экспоненциальный характер анодного тока на прямой ветви ВАХ определяется экспоненциальным характером зависимости граничных концентраций от приложенного напряжения. Диффундируя в глубь слоев, неравновесные электроны рекомбинируют с дырками p-слоя, а неравновесные дырки – с электронами n-слоя. В связи с этим концентрации неравновесных носителей заряда уменьшаются по экспоненциальному закону до значений равновесных концентраций.

При обратном включении p-n-перехода при небольших напряжениях увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения диффузионной составляющей. При обратном напряжении, соответствующем точке 1 (рис. 22), и большем, основные носители заряда не способны преодолеть потенциальный барьер, в связи с чем диффузионный ток равен нулю. Этим объясняется отсутствием роста обратного тока при увеличении обратного напряжения. Обратный ток, создаваемый неосновными носителями заряда, зависит от их концентраций в слоях, а также от рабочей поверхности p-n-перехода. Этим объясняется тот факт, что в мощных диодах, имеющих большую площадь p-n-перехода, обратный ток больше, чем в маломощных. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда является функцией температуры кристалла, обратный ток p-n-перехода также зависит от температуры. Увеличение обратного тока с ростом температуры подчиняется примерно экспоненциальному закону.

Как известно, концентрация неосновных носителей заряда уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны на энергетической диаграмме полупроводника. Ширина запрещенной зоны в кремнии больше, чем в германии. В силу этого, обратный ток в кремниевых приборах на несколько порядков меньше, чем в германиевых. Вследствие этого, кремниевые приборы применимы при более высокой температуре и при более высоких обратных напряжениях.

Приведенной на рис. 22 ВАХ p-n-перехода соответствует ее запись в аналитическом виде:

(21)

При , согласно данному соотношению, . В случае приложения прямого напряжения единицей в выражении (21) можно пренебречь, и зависимость будет иметь экспоненциальный характер. В случае обратного напряжения можно не учитывать достаточно малую величину , и тогда .

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (рис. 24). На практике наибольшее распространение получили диоды с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в областях. Типичными являются приборы, в которых p-область имеет большую концентрацию носителей заряда.

Рис. 24. Конструкция маломощных выпрямительных диодов:

1 – внешний вывод (анод); 2 – трубка; 3 – стеклянный изолятор; 4 – корпус;

5 – внутренний вывод анода; 6 – таблетка индия; 7 – кристалл германия;

8 – кристаллодержатель; 9 – внешний вывод (катод)

Важный параметр диода – его дифференциальное сопротивление:

(22)

Из выражения (21) в случае приложения прямого напряжения :

(23)

С ростом тока дифференциальное сопротивление p-n-перехода быстро уменьшается.

Пробой диода. При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 25). Это явление называют пробоем диода. Все разновидности пробоя диода можно разделить на электрические и тепловые. Электрический пробой, в свою очередь, может быть лавинным или туннельным.

Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей в р-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Он происходит следующим образом. Неосновные носители заряда, поступающие в р-n-переход при действии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответствующей напряженности электрического поля носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда – электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер (на ВАХ участок 2-3 рис. 25).

В основетуннельного пробоялежит непосредственно отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный ток через р-n-переход. Туннельный пробой развивается в узких р-n-переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля. Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением почти вертикального участка 3-4 на обратной ветви вольтамперной характеристики (см. рис. 25).

Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми, т. е. они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.

Длительный лавинный или туннельный пробой диода может вызвать тепловой пробой.

Рис. 25. ВАХ диода при превышении обратного напряжения предельного значения

Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в р-n-переходе при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно и ввиду неоднородности р-n-перехода обычно носит локальный характер. Лавинообразное развитие теплового пробоя обуславливается тем, что увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка р-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя. Тепловой пробой возникает, как правило, вследствие протекания большого обратного тока при лавинном или туннельном пробое или ухудшении условий теплоотвода. В последнем случае он может произойти при меньшем напряжении , минуя стадии лавинного или туннельного пробоя.

Нормальная работа диода в качестве элемента односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения . Значение допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0, 5…0, 8) .

Емкости диода. Принято говорить об общей емкости диода , измеренной между выводами диода при заданном напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости , диффузионной емкости и емкости корпуса прибора .

Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенным по обе стороны от границы р-n-перехода.

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. Поскольку величина барьерной емкости зависит от приложенного напряжения, то диод (p-n-переход) можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости.

Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-n-перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной емкостью.

⇐ Предыдущая 1 2 34