Обратное включение перехода)

=

Если к p-n переходу подключить внешнее Евн напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности Uк потенциалов, то такое включение называется обратным (n-область подключается к положительному полюсу Евн, а p-область к отрицательному полюсу Евн). При таком включении в p-n переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле, увеличивающее его внутреннее поле. Суммарное поле Еε, действующее в переходе, будет определяться:

=

Это поле увеличит тормозящее действие на основные носители заряда и их движение уменьшится, а при некотором значении Евн совсем прекратится и ток диффузии станет равным нулю (Iдиф=0).

Под действием электрического поля Евн основные носители заряда будут оттягиваться от пограничных слоев p-n перехода, увеличивая дефицит свободных носителей в области перехода и расширяя переход (увеличение его толщины).

Для неосновных носителей заряда Евн является ускоряющим полем, поэтому оно будет поддерживать дрейфовый ток, переводя неосновные носители через расширенный p-n переход.

Процесс перевода (оттягивания, «отсоса») носителей заряда через p-n переход из областей, где они становятся основными носителями, под действием обратного напряжения на переходе, называется экстракцией.

При малых значениях обратного напряжения на переходе навстречу дрейфовому току протекает диффузионный ток (I0=Iдиф), который уменьшается по экспоненциальному закону:

Результирующий ток через p-n переход в этом случае будет называться обратным током и определяется:

Поскольку φт =26 мВ при Т=300 К, то уже при |Евн|>3φт током основных носителей можно пренебречь, и обратный ток будет определяться током I0, независящим от Евн. Поэтому I0 в этом случае называют обратным током насыщения или просто обратным током. (Он зависит от температуры и от концентрации носителей в собственном полупроводнике)

Эмпирическим путем установлено, что значение тока в зависимости от температуры может быть выражено:

,

Где Т – текущая температура,

Т0 - температура, при которой значения тока I0 известно.

Эта формула носит название формулы «удвоения». Эта формула имеет более высокую точность для полупроводников на основе германия и меньшую точность – для кремния.

Диаграмма энергетических зон p-n перехода при обратном смещении

При подаче обратного напряжения на p-n переход (Евн < 0), Uк и Евн суммируются, что ведет к расширению обедненной области.

Различие свойств при прямом и обратном напряжении определяет возможность его работы в качестве выпрямляющего элемента.

Уравнение Шокли.

Анализ выражений для токов через p-n переход при прямых и обратных напряжениях позволяет установить аналитическую зависимость:

Это уравнение называется уравнением диода или уравнением Шокли, где I0 – тепловой ток или обратный ток насыщения.

Термин «тепловой» отражает сильную температурную зависимость I0 от температуры, а также тот факт, что I0 = 0 при Т = 0 К.

Термин «обратный ток насыщения» отражает тот факт, что при отрицательном напряжении Евн и |Евн|>>φт , обратный ток идеализированного диода равен (-I0) и не зависит от Евн.

, где k = 1,38* Дж/К – постоянная Больцмана;

q = 1,6* Кл;

Т – абсолютная температура;

=26 БмВ при Т = 300 К.

Действительно, близко к нулю.

Это значит, что при обратном включении Ip-n(обр) = -I0 и не зависит от величины обратного напряжения.

Вольт-амперная характеристика(ВАХ)

p-n перехода

Статическое сопротивление p-n перехода в рабочей точке (А) определяется как отношение напряжения в этой точке к току, соответствующему этому напряжению или равно ctgα – угла образованного прямой, проходящей через начало координат и рабочую точку(А) и осью абсцисс(Х).

Дифференциальное сопротивление p-n перехода в рабочей точке(А) определяется как отношение приращения напряжения в этой точке к приращению тока, соответствующего этому приращению напряжения

или равно ctgβ – угла образованного касательной к этой точке и осью абсцисс.

Реальная ветвь(прямая) ВАХ перехода отклоняется от идеальной ВАХ в основном за счёт падения напряжения на сопротивлении базы(r_Б), с учётом этого уравнение перехода может быть определено:

Прологарифмировав это выражение можно определить падение напряжения на переходе при прямом включении.

Заменив E_вн на U_пр, получим:

Для малых токов I_пр имеем:

Статическое и дифференциальное сопротивление для обратной ветви ВАХ рассчитывается аналогично прямой ветви ВАХ

R_ст.пр ≪ R_ст.обр. ;

R_диф.пр ≪ R_{диф.обр.}; при U_пр.= |U_обр.|>U, |U_обр.|<U_проб.

Пробой p-n перехода

Несмотря на то, что в определённых пределах отсутствует зависимость величины обратного тока p-n перехода от величины приложенного обратного напряжения, может наступить момент, когда эта зависимость начнёт проявляться.

Из уравнения Шокли следует, что при увеличении обратного напряжения на p-n переходе I_обр стремится к I₀. Использовать эту формулу при больших значениях обратного напряжения нецелесообразно, так как она перестаёт соответствовать явлениям, происходящим в реальных p-n переходах. На практика I_обр незначительно возрастает, пока напряжение на переходе не достигнет некоторого критического значения, называемого напряжением пробоя(U_прб).После этого I_обр возрастает скачкообразно, как это показано на графике:

Таким образом, под пробоем p-n перехода понимают явление значительного уменьшения дифференциального сопротивления R_диф ( и R_ст – тоже) и увеличение I_обр при увеличении обратного напряжения U_обр.

Различают три вида пробоя:

1) – тепловой;

2) – лавинный;

3) – туннельный.

На практике встречаются и смешанные случаи, т.к. один вид пробоя может наступить как следствие другого вида пробоя.

Тепловой пробой, как явление, в основном носит необратимый характер и приводит к разрушению p-n перехода.

Лавинный и туннельный виды пробоя являются электрическим или полевым видом пробоя, который обеспечивает обратимость при ограничении мощности на p-n переходе (p-n переход не разрушается).