Вольтамперная характеристика p n переходов

Теоретическая вольтамперная характеристика p- n перехода Вольтамперная характеристика представляет собой график зависимости тока во внешней цепи p- n перехода от значения и полярности напряжения, прикладываемого к. Эта зависимость может быть получена экспери­ментально или рассчитана на основании уравнения вольтамперной характеристики. При включении p-n перехода в прямом направлении в результате инжекции возникает прямой диффузионный ток. Уравнения для плотности электронной и дырочной составляющих прямого тока получаются подстановкой со­отношений 1. Гра­диент концентрации является причиной возникновения диффузионного тока неосновных носителей. На основании соотношений 1. Величину j s называют плотностью тока насыщения. Умножив правую и левую части выражения 1. В это уравнение напряжение U подставляется со знаком "плюс" при включении p- n перехода в прямом направлении и со знаком "минус" при об­ратном включении. Теоретическая вольтамперная характеристика p- n перехода, построенная на основании уравнения 1. При увеличении Рисунок 1. На основании соотношений 1. Процессы генерации и рекомбинации носителей в запи­рающем слое оказывают существенное влияние на вид вольтамперной характеристики. В отсутствие внешнего на­пряжения между процессами генерации и рекомбинации устанавливается равновесие. При приложении к p-n переходу обратного напряжения дырки и электроны, обра­зующиеся в результате генерации, выводятся полем запи­рающего слоя. Это приводит к возникновению дополни­тельного тока генерации I ген, совпадающего с обратным током p-n перехода. Таким образом, если в германиевых p-n переходах током генерации можно пренебречь, то в кремниевых p-n переходах он является основной составляющей обратного тока. Поэто­му на вольтамперных характеристиках кремниевых p-n переходов нет выраженного участка насыщения. Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода При выводе уравнения 1. Поэтому экспериментальная вольтам­перная характеристика p-n перехода кривая 2 на рис. При обратном включе­нии p-n перехода отли­чия обусловлены генера­цией носителей зарядов и пробоем p-n перехода. Количество генерируемых носителей пропорциональ­но объему запирающего слоя, который зависит от ширины p-n перехода. По­скольку ширина запираю­щего слоя пропорциональ­наток генерации будет расти при увеличе­нии обратного напряже­ния. Поэтому на реальной характеристике при увеличении обратного напряжения до определенного значения наблюдается небольшой рост об­ратного тока. Возрастанию обратного тока способствуют также токи утечки. При некотором обратном напряжении наблюдается рез­кое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем p-n перехода. Существуют три вида пробоя: тун­нельный, лавинный и тепловой. Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрическо­го пробоя Рисунок 1. Тепловой пробой определяет­ся перегревом перехода. Такая большая напряженность электричес­кого поля возможна при высокой концентрации примесей в p- и n-областях, когда толщина p-n перехода становит­ся весьма малой см. Под действием силь­ного электрического поля валентные электроны вырыва­ются из связей. При этом образуются парные заряды электрон-дырка, увеличивающие обратный ток через переход. В широких p-n переходах, образованных полупровод­никами с меньшей концентрацией примесей, вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается и бо­лее вероятным становится лавинный пробой. Он возника­ет тогда, когда длина свободного пробега электрона в по­лупроводнике значительно меньше толщины p-n перехода. Если за время свободного пробега электроны приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов в p-n переходе, наступает ударная ионизация, со­провождающаяся лавинным размножением носителей заря­дов. Образовавшиеся в результате ударной ионизации сво­бодные носители зарядов увеличивают обратный ток пере­хода. Увеличение обратного тока характеризуется коэф­фициентом лавинного умножения М:1. Тепловой пробой обусловлен значительным ростом ко­личества носителей зарядов в p-n переходе за счет нару­шения теплового режима. Выделяющаяся в запирающем слое теплота отводится преимущественно за счет теплопроводности. При плохих условиях отвода теплоты от перехода воз­можен его разогрев до температуры, при которой происхо­дит тепловая ионизация атомов. Образующиеся при этом носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к дальнейшему разогреву перехода. В результате такого нарастающего процесса p-n переход недопустимо разогре­вается и возникает тепловой пробой, характеризующийся разрушением кристалла кривая 3. Увеличение числа носителей зарядов при нагреве p-n перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого на об­ратной ветви вольтамперной характеристики при тепло­вом пробое появляется участок с отрицательным диффе­ренциальным сопротивлением участок АВ на рис. Отличия реальной характеристики от теоретической на прямой ветви, в основном, обусловлены распределенным объёмным сопротивлением электронной и дырочной областей r 1 за пределами запираю­щего слоя рисунок 1. Если сопротивление запирающего слоя обозначить r д, то кристалл полупроводника с запирающим слоем можно представить в виде последовательного соединения рези­сторов r д и r 1. Уравнение вольтамперной характеристики в этом случае может быть записано в следующем неявном виде:. Когда напряжение на запирающем слое становится равным контактной разности потенциа­лов, запирающий слой исчезает, и дальнейшее увеличение тока ограничивается распределенным сопротивлением по­лупроводников p- и n-типа.