Физические процессы в p-n-переходе

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, другая – дырочную.

Разность потенциалов φ_к в переходе, обусловленную градиентом концентрации носителей заряда, называют контактной разностью потенциалов

(1)

φ_к =

где k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура;

Na и Nд – концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; р_р и р_n – концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; n_i – концентрация собственных носителей. Обычно контактная разность потенциалов имеет порядок десятых долей вольта.

Полупроводниковый прибор с р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (далее диод). Одна из областей р-n-структуры (р+), называемая эмиттером, имеет концентрацию основных носителей заряда на несколько порядков больше, чем другая область, называемая базой.

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода изображена на рисунке 1. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением

	(2)

I = I₀ (е^{U/(m φт)} – 1)

где I₀ – обратный ток насыщения (ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда); U – напряжение на р-n-переходе; φ_т = kT/e – температурный потенциал; m – поправочный коэффициент: m = 1 для германиевых p-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе.

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ у кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых.

Влияние температуры. На вольт-амперную характеристику диода существенное влияние оказывает температура окружающей среды. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Для германиевых диодов

I₀(T) = I₀₁ 2^{(T – T1)/10}

где ток I₀₁, измерен при температуре Т₁.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 ÷ 100°С для германиевых диодов и 150 ÷ 200 °С для кремниевых. Минимально допустимая температура диодов лежит в пределах – (60 ÷ 70)°С.

Если через кремниевый диод протекает прямой постоянный ток, то при увеличении температуры падение напряжения на диоде уменьшается с темпом
2,5 мВ/^oС.

	(3)

dU/dT = – 2,5 мВ/°С

На рисунке 1 влияние повышения температуры на прямой ветви кремниевого диода показано штрихпунктирной линией.

Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:

	(4)

r_диф = dU/dI

Из выражения (4) следует, что

	(5)

r_диф = φ_т/I

Пробой диода. При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока рисунок 2. Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает в результате воздействия

сильного электрического поля в p-n-переходе (рисунок 2, кривая а) (электрический пробой может быть туннельным или лавинным), либо в результате разогрева перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (рисунок 2, кривая б) (тепловой пробой). Электрический пробой при определенных условиях обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения.

Возможность теплового пробоя диода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения и температурного диапазона работы. Напряжение пробоя зависит от типа диода и температуры окружающей среды. Значение допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5 ÷ 0,8)·U_проб.

Емкости диода. Принято говорить об общей емкости диода С_Д, измеренной между выводами диода при заданных напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости С₆, диффузионной емкости С_диф и емкости корпуса прибора С_К.

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

Барьерная емкость равна отношению приращения заряда на р-n-переходе к вызвавшему его приращению напряжения:

(6)

, (6)

где ε – диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; S – площадь р-n-перехода.

Из формулы (6) следует, что барьерная емкость зависит от площади перехода S, напряжения U, приложенного к переходу, 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; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

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

(7)

3

С_диф ≈ I_ПРτе/kT

где τ – время жизни носителей заряда; I_ПР – прямой ток.

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

а при обратном напряжении – барьерной емкостью.

Схема замещения полупроводникового диода изображена на рисунке. 3. Здесь С_Д – общая емкость диода, зависящая от режима работы;

R_П – сопротивление перехода, значение которого определяют с помощью статической ВАХ диода (R_П = U/I);

r_б – распределенное электрическое сопротивление базы диода, его электродов и выводов. Иногда схему замещения на высоких частотах дополняют емкостями С_ВХ, С_ВЫХ и индуктивностью выводов.