Реферат: Теория

(1.1)

Уравнение (1.1) идеального p-n-перехода определяет основные вольтамперные характеристики полупроводниковых приборов.

При построении ВАХ перехода по (1.1) видно, что при напряжениях, больших нуля, характеристика идет настолько круто, что получить нужный ток, задавая напряжение, невозможно, поэтому для идеального p-n-перехода характерен режим заданного прямого тока, а не напряжения

(1.2)

Если иметь в виду реальную ВАХ перехода, то учету подлежит омическое падение напряжения в слое базы, то есть внешнее напряжение распределяется между p-n-переходом и слоем базы (сопротивление базы r_б при малой площади перехода может составлять десятки Ом), поэтому уравнение (1.1), описывающее статическую ВАХ (рис. 1.1) реального перехода, будет выглядеть следующим образом:

(1.3)

Величина прямого напряжения может зависеть от многих факторов:

1. От изменения прямого тока. Если диапазон изменения прямых токов составляет до двух порядков и более, то прямое напряжение при этом будет меняться существенно, но на практике диапазон изменения прямого тока гораздо уже, поэтому U_пр меняется незначительно, и в пределах такого диапазона его можно считать постоянным и рассматривать как параметр открытого кремниевого перехода - U* (в нормальном режиме U* = 0,7 В , а в микрорежиме U^* = 0,5 В ).

Нормальный токовый режим : I_о = 10 ^{- 15} А; I_пр = 10 ^{- 3} -10 ^{- 4} А (при таком диапазоне изменения прямых токов напряжение U_пр изменяется от 0,69 В до 0,64 В ).

Микрорежим : Iо=10 ^{- 15} А; Iпр= 10 ^{- 5} -10 ^{- 6} А (при таком диапазоне изменения прямых токов U_пр изменяется от 0,57 В до 0,52 В ).

2. От изменения теплового тока : чем меньше тепловой ток, тем больше прямое напряжение.

3. От изменения температуры : у германиевых переходов при повышении температуры U_пр может вырождаться почти до нуля.

4. От изменения площади перехода : прямое напряжение уменьшается с увеличением площади перехода.

При обратной полярности внешнего источника (обратносмещенное непроводящее состояние p-n-перехода) полярность внешнего источника напряжения совпадает с полярностью контактной разности потенциалов, потенциальный барьер p-n-перехода повышается, запрещенная зона перехода расширяется и при определенном U_обр диффузионный ток через переход почти прекращается. Носители каждой области оказываются "оттиснутыми" к краям полупроводника и лишь ток неосновных носителей продолжает течь через переход. Процесс захвата электрическим полем неосновных носителей и перебрасывание их в соседнюю область называется экстракцией.

При малых значениях обратного напряжения через p-n-переход будет наблюдаться движение и основных носителей, образующих ток, противоположно направленный току дрейфа:

Результирующий ток через p-n-переход при действии обратного напряжения

( 1.4)

Уравнение (1.4) описывает обратную ветвь обратносмещенного перехода (рис. 1.1).

При U_обр , большем 3 j _t , диффузионный ток через переход прекращается.

Выше было отмечено, что ток I_о идеализированного перехода не зависит от приложенного напряжения, но реальный обратный ток перехода намного превышает величину I_о ; необходимо четко отличать ток тепловой от тока обратного, получившего название тока термогенерации; в кремниевых структурах тепловой ток при комнатной температуре вообще не учитывается, так как он на 2-3 порядка меньше обратного тока. У германиевых переходов тепловой ток на 6 порядков больше, чем у кремниевых, поэтому в германиевых структурах этим током пренебрегать нельзя.

В реальном переходе наблюдается довольно значительная зависимость тока неосновных носителей от приложенного напряжения. Дело в том, что процессы генерации и рекомбинации носителей происходят как в нейтральных слоях областей "p" и "n", так и в самом переходе. В равновесном состоянии перехода скорости генерации и рекомбинации везде одинаковы, а при действии обратного напряжения, когда расширяется запрещенная зона, область перехода сильно обедняется носителями, при этом процесс рекомбинации замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыток генерируемых носителей захватывается электрическим полем и переносится в нейтральные слои (электроны в n-область, а дырки - в p-область). Эти потоки и образуют ток термогенерации. Ток термогенерации слабо зависит от температуры и сильно зависит от величины приложенного обратного напряжения; уместно вспомнить упрощенную формулу зависимости скорости движения электрона в ускоряющем электрическом поле от приложенного напряжения:

.

С увеличением приложенного напряжения скорость электрона увеличивается, растет число соударений его с атомами в узлах решетки (ударная ионизация), что приводит к появлению новых носителей заряда. Увеличение числа зарядов приводит к увеличению тока неосновных носителей, температура перехода увеличивается, а это, в свою очередь, приводит к нарушению ковалентных связей и росту носителей. Процесс может принять лавинообразный характер и привести к пробою p-n-перехода (рис. 1.1). Различают следующие виды пробоев:

туннельный (при напряженности поля перехода свыше 10⁶ В/см, до точки «а»);

электрический (вызван ударной ионизацией, после точки «а»), этот тип пробоя иногда называют лавинным, при этом в переходе идут обратимые процессы и после снятия обратного напряжения он восстанавливает свои рабочие свойства. При электрическом пробое нарастание тока почти не вызывает изменения напряжения, что позволило использовать эту особенность характеристики для стабилизации напряжения;

тепловой возникает в результате сильного разогрева перехода (после точки «б»); процессы, которые идут при этом в переходе, необратимы, и рабочие свойства перехода после снятия напряжения не восстанавливаются (вот почему в справочной литературе строго ограничивается величина обратного напряжения на переходах диодов и транзисторов).

Рис. 1.1. ВАХ реального электронно-дырочного p - n- перехода

Вывод . Анализируя прямую и обратные ветви вольтамперной характеристики, приходим к выводу, что p-n-переход хорошо проводит ток в прямосмещенном состоянии и очень плохо в обратносмещенном, следовательно, p-n-переход имеет вентильные свойства, поэтому его можно использовать для преобразования переменного напряжения в постоянное, например, в выпрямительных устройствах в блоках питания.

1.2.1. Температурные свойства p-n- перехода

Уравнение (1.1) содержит температурно-зависимые параметры - I₀ и j _t .

I₀ - тепловой ток, или ток насыщения. Для идеального перехода I₀ определяет величину обратного тока, а в реальных переходах I₀ намного меньше обратного тока. Ток I_о сильно зависит от температуры (рис. 1.1): даже незначительные изменения температуры приводят к изменению I_о на
несколько порядков.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру для него, которая составляет
80 -100 ^о С для германиевых диодов и 150 -200 ^о С для кремниевых.

Минимально допустимая температура для диодов обычно лежит в пределах от 60 до -70^о С .

У германиевых переходов ток I₀ на шесть порядков больше, чем у кремниевых, поэтому при одинаковых условиях у них прямые напряжения на
0,35 В меньше и в зависимости от режима составляют 0,25 -0,15 В (напряжение отпирания у германиевых переходов при повышении температуры вырождается почти в "0").