(Далее презентация «Введение в полупроводники». Теория основана на работах ученых, внесших основной вклад в современное понимание ядерной физики – Нильса Бора, Макса Планка, Вернера Карла Гейзенберга, Бриллюэна, Энрико Ферми, Дирака. Почитать – Гуртов. Твердотельная электроника.
Вольт-амперной характеристикой (ВАХ) p-n - перехода называется зависимость тока, протекающего через p-n - переход от приложенного внешнего напряжения I = f (U) (рис.7).
Статическую ВАХ p–n-перехода аппроксимируют выражением
|
| где I s – | ток насыщения при обратном смещении на диоде; |
| e – | заряд электрона; |
| U – | напряжение на диоде; |
| m – | коэффициент неидеальности ВАХ; |
| k – | постоянная Больцмана, определяющая связь между температурой и энергией |
| T – | абсолютная температура. |
Рисунок 7 - Вольт-амперная характеристика p-n - перехода: 1 - прямая ветвь; 2 - обратная ветвь при лавинном пробое; 3 - обратная ветвь при тепловом пробое. Прямую 1 и обратную 2 ветви ВАХ изображают в разном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n - перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого.
Прямая ветвь экспоненциальна, на нее оказывают влияние материал полупроводника, объемное сопротивление базы p-n перехода, температура окружающей среды, реальная ширина и конфигурация p-n перехода, степень легирования областей и т.д. Принято считать, что кремниевый переход гарантировано открыт при 0,75 V, германиевый - при 0,45 V.
Рис. а) Прямые ветви ВАХ p-n переходов, изготовленных из разных материалов б) Влияние температуры: T1 = 20 град, Т2 = 50 град. в) Пробой на обратной характеристике.
Обратный ток во много раз меньше прямого, поэтому им можно пренебречь.
Рис. Реальное соотношение прямого и обратного тока. 1 - 20 град, 2 - 70 град (кремний).
При достижении обратным напряжением некоторой критической величины Uпроб происходит резкое уменьшение сопротивления p-n - перехода. Это явление называется пробоем p-n - перехода, а соответствующее ему напряжение - напряжением пробоя.
Различают электрический и тепловой пробой. Электрический пробой (участок АБВ характеристики) является обратимым при условии ограничения тока, т.е. при этом пробое в переходе не происходит разрушения структуры вещества. Могут существовать два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.
Лавинный пробой объясняется размножением носителей за счет ударной ионизации и вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для p-n - переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт. Явление ударной ионизации состоит в том, что электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.
Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105 В/см, действующем в p-n - переходе малой толщины и высокой концентрации примесей, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Внешнее напряжение обычно не превышает единиц вольт.
Рис. Зонная диаграмма туннельного эффекта
Области теплового пробоя соответствует на рис.7 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, т.к он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p-n - перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима p-n - перехода. Количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количества теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.
На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры увеличивается концентрация носителей и проводимость растет, прямой и обратный ток растут. Для p-n - переходов на основе германия обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°C; на основе кремния - в 2,5 раза при нагреве на каждые 10°C. Однако обратные токи кремния в сотни раз меньше, чем у германия. Прямой ток при нагреве p-n - перехода растет не так сильно, как обратный. Прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.