Р-n переход при внешнем напряжении, приложенном к нему

Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n -переходе. p-n переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения приложенного к областям в p-n -перехода возможно два режима работы.

1) Прямое смещение p-n перехода. Р-n переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р-области, а отрицательный к n-области (рис..)

При прямом смещении, напряжения j_к и U направлены встречно, результирующее напряжение на p-n переходе убывает до величины j_к - U. Это приводит к тому, что напряженность электрического поля убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Кроме того, прямое смещении уменьшает ширину p-n перехода, т.к. l_p-n≈ (j_к – U)^1/2. Ток диффузии, ток основных носителей заряда, становится много больше дрейфогово. Через p-n переход протекает прямой ток

I_р-n=I_пр=I_диф+I_др @I_диф.

При протекании прямого тока основные носители заряда р-области переходят в n-область, где становятся неосновными. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p и n-областях во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т.е. принцип электронейтральности сохраняется.

При увеличении U ток резко возрастает, - температурный потенциал, и может достигать больших величин т.к. связан с основными носителями концентрация которых велика.

2) Обратное смещение, возникает когда к р- области приложен минус, а к n-области плюс, внешнего источника напряжения (рис.).

Такое внешнее напряжение U включено согласно j_к. Оно: увеличивает высоту потенциального барьера до величины j_к + U; напряженность электрического поля возрастает; ширина p-n перехода возрастает, т.к. l_p-n≈ (j_к + U)^1/2; процесс диффузии полностью прекращается и через p-n переход протекает дрейфовый ток, ток неосновных носителей заряда. Такой ток p-n -перехода называют обратным, а поскольку он связан с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации то его называют тепловым током и обозначают - I₀, т.е.

I_р-n=I_обр=I_диф+I_др @I_др= I_0.

Этот ток мал по величине т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. Таким образом, p-n перехода обладает односторонней проводимостью.

При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной. Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубины p и n-областей к границе p-n перехода. Достигнув ее неосновные носители попадают в сильное электрическое поле и переносятся через p-n переход, где становятся основными носителями заряда. Диффузия неосновных носителей заряда к границе p-n перехода и дрейф через него в область, где они становятся основными носителями заряда, называется экстракцией. Экстракция и создает обратный ток p-n перехода- это ток неосновных носителей заряда.

Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода.

Температурная зависимость обратного тока определяется выражением , где - номинальная температура, - фактическая температура, - температура удвоения теплового тока .

Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового токо переехода на основе германия (на 3-4 порядка). Это связано с j_к материала.

С увеличением площади перехода возрастает его обьем, а следовательно возрастает число неосновных носителей появляющихся в результате термогенерации и тепловой ток.

ВАХ р-n перехода

Это зависимость тока через р-n переход от напряжения на нём i=f(u).

Аналитически, при прямом и обратном смещении ВАХ записывают в виде

Часто ВАХ, для наглядности, представляют в виде графиков.

График вольт амперной характеристики приведен на рис.1.15. Для наглядности прямая и обратная ветви показаны в разных масштабах, например, по току масштабы отличаются в тысячу раз. Главное свойство p-n перехода – это его односторонняя проводимость, т.е. способность пропускать ток в прямом направлении и практически не пропускать в обратном.

Если прямую и обратную ветвь построить в одном масштабе, то ВАХ p-n перехода имеет вид, как показано на рис.. Из рисунка четко видно, что p-n переход обладает односторонней проводимостью, т. е. I_пр>>I_обр или R_пр<<R_обр.

Дифференциальное сопротивление p-n перехода при прямом смещении определяется из соотношения r_диф= j_т/I_пр. Так, например, при I=1мА и j_т=25мВ r_диф=25Ом.

1.2.6. Ёмкости p-n перехода

Тот факт, что p-n переход накапливает электрический заряд свидетельствует о том, что он обладает ёмкостью. Емкость p-n перехода состоит из двух составляющих -различают барьерную и диффузионную емкости.

-.

а) При обратном смещении преобладает барьерная емкость С_бар>С_диф. Она связана с неподвижными ионами примесей, коцентрация которых невелика. Величина этой емкости зависит от величины напряжения на p-n переходе.

,

где - ёмкость, при , - обратное напряжение, - зависит от типа p-n перехода (n=1/2 – для резкого, n=1/3 – для плавного перехода), ε — диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; П — площадь р-n-перехода.

Эта зависимость связана с тем, что при увеличении обратного напряжения p-n переход расширяется. Из формулы (1.8) следует, что барьерная емкость зависит от площади перехода П, напряжения на переходе U, а также от концентрации примесей.

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, а изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

б) Диффузионная ёмкость, преобладает (С_диф>>С_бар) при прямом смещении p-n-перехода и характеризуется накоплением неосновных носителей зарядов вблизи p-n-перехода при протекании прямого диффузионного тока (тока инжекции)

, ,

где - время жизни неосновных носителей заряда, - время, в течение которого протекает прямой ток I_пр.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад.

В целом, если сравнивать диффузионную и барьрную емкости, то выполняется соотношение С_диф>>С_бар. Это связано с тем, что диффузионная емкость связана с прямым, диффузионным током (током основных носителей заряда), который может достигать больших величин.

На практика используется лишь барьерная ёмкость, т.к. диффузионная емкость обладает малой добротностью, поскольку параллельно этой ёмкости включён p-n переход, смещённый в прямом направлении с малым прямым сопротивлением.

1.2.7. Пробой p-n перехода

Согласно математической модели p-n-перехода его обратный ток равен тепловому I_обр = I₀ и не зависит от величины обратного напряжения. Однако при значительных обратных напряжениях возникает резкое возрастание тока. Это явление, резкого возрастания тока при обратном смещении p-n перехода, называют пробоем p-n-перехода, а напряжение, при котором происходит это явление - напряжением пробоя. Классификация видов пробоя показана на рис.1.17.

Электрический пробой обратимый, т.е. после уменьшения величины обратного напряжения p-n-переход восстанавливает свои первоначальные свойства. Тепловой пробой, необратимый. Он сопровождается разрушением кристаллической решетки p-n-перехода, после чего p-n-переход не восстанавливает свои первоначальные свойства.

Лавинный пробой происходит в слаболегированных - “широких” p-n-переходах и состоит в ударной ионизации. При достаточно большой напряжённости электрического поля электроны достигают скоростей, при которых выбивают из атома собственного полупроводника валентные электроны, которые в свою очередь выбивают новые. Этот процесс происходит лавинообразно и потому пробой называется лавинообразным.

Туннельный пробой происходит в сильнолегированных, “узких”, p-n-переходах, и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов, в результате чего в объёме p-n-перехода образуются новые свободные носители заряда.

Тепловой переход возникает вследствие разогрева p-n-перехода собственным обратным током. Тепловой пробой возникает, когда мощность, подводимая к переходу Р_подв=U_обрI₀ становится больше отводимой Р_отв. При протекании обратного тока температуры p-n-перехода повышается, это ведет к усилению процесса термогенерации, т.е. к росту числа неосновных носителей заряда. Это приводит к новому увеличению J_обр, что приводит к ещё большему разогреву p-n-перехода. Этот процесс развивается лавинообразно, в результате чего температура повышается и происходит расплавление p-n-перехода.

Вольт амперная характеристика при различных пробоях показана на рис..:

(1) - Лавинный. (2) - Туннельный. (3) - Тепловой. На этих зависимостях участок 1-2 – электрический пробой, а участок 2-3 – тепловой пробой.

 

Контрольные вопросы

1. Что понимают под электропроводностью?

2. Что понимают под электрическим током?

3. Как подразделяются твердые вещества по типу электропроводности?

4. Что понимают под чистым полупроводником?

5.