Прямое включение p-n-перехода

Прямое включение p-n-перехода осуществляется подачей внешнего напряжения положительным потенциалом к области р, отрицательным - к области n. Напряженность внешнего электрического поля направлена противоположно напряженности внутреннего поля p-n-перехода (см. рис.2.7).

Это приводит к уменьшению результирующего поля в p-n-переходе, которое определяется разностью U = Dj₀ – U_пр. Т.о. высота потенциального барьера p-n-перехода уменьшается, и, следовательно, увеличивается диффузионная составляющая тока. При этом обусловленную неосновными носителями заряда дрейфовую составляющую тока, которая зависит только от температуры, можно считать неизменной. Разность диффузионного и дрейфового токов определяет результирующий прямой ток через переход:

J_пр = J_диф - J_др. (2.14)

С ростом приложенного внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается (т.к. уменьшается потенциальный барьер), поэтому возрастает прямой ток через переход.

Т.к. распределение носителей зарядов по энергетическим уровням экспоненциально зависит от приложенного прямого напряжения (см. (1.8), (1.9)), то и диффузионная составляющая тока также будет иметь экспоненциальный характер зависимости от приложенного напряжения. Тогда уравнение вольт-амперной характеристики p-n-перехода будет иметь вид:

, (2.15)

где I_н - ток насыщения, равный по величине диффузионной и дрейфовой составляющим тока при отсутствии внешнего напряжения (I_н = I_диф = I_др); k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q - заряд электрона; U_пр - приложенное внешнее напряжение с учетом знака (прямое со знаком "+"; обратное со знаком "-"); j_Т ¾ температурный потенциал:

. (2.16)

Это уравнение справедливо и для прямого и для обратного включения p-n-перехода.

Т.о. прямая ветвь вольт-амперной характеристики p-n-перехода будет иметь экспоненциальный характер зависимости от приложенного напряжения (рис.2.8).

Прямой ток в p-n-переходе создается движением основных носителей заряда, концентрация которых намного выше концентрации неосновных носителей, движение которых создает обратный ток. Следовательно, p-n-переход обладает ярко выраженными вентильными свойствами, т.е. он проводит ток в прямом направлении намного лучше, чем в обратном. На рис.2.9. представлена полная вольт-амперная характеристика p-n-перехода.

Изменение температуры окружающей среды приводит к деформированию вольт-амперной характеристики p-n-перехода. При увеличении температуры прямая ветвь вольт-амперная характеристики приближается к оси токов, а обратная - удаляется от оси напряжений (рис.2.9.). Для количественной оценки влияния температуры на вольт-амперную характеристику p-n-перехода вводят температурный коэффициент напряжения (Т.К.Н.) e, характеризующий изменение напряжения на переходе под действием температуры при фиксированном прямом токе:

. (2.17)

Для германия (Ge) e = -(1,2 ¸ 2)мВ/град; для кремния (Si) e = -(1,2 ¸ 3)мВ/град. В общем случае принимают e » 2,2мВ/град.

Обратный ток p-n-перехода сильно зависит от температуры, и для него справедлива зависимость:

, (2.18)

где Dt = t° – t₁°; a - постоянный коэффициент.

Для германия a_Ge = (0,05 ¸ 0,07) ; для кремния a_Si = (0,05 ¸ 0,09) .

Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды можно пользоваться упрощенным выражением:

, (2.19)

Обратный ток для германиевых переходов меняется в 2 раза на каждые 10 градусов (t^*=10°), а для кремниевых переходов ¾ в 2 раза на каждые 7 градусов (t^*=7°).

5 Обратное включение переходников н-р

Возросший потенциальный барьер затрудняет движение основных носителей через p-n-переход, поэтому уменьшается создаваемый этими носителями диффузионный ток. Т.к. дрейфовая составляющая тока, обусловленная неосновными носителями заряда, зависит только от температуры, то ее можно считать неизменной. Через диод будет протекать ток в обратном направлении:

J_обр = J_др - J_диф. (2.8)

При небольших обратных напряжениях наблюдается увеличение обратного тока за счет уменьшения диффузионной составляющей; при некотором обратном напряжении, когда диффзионная составляющая тока уменьшится до нуля, обратный ток останется постоянным (рис.2.4). Т.о. обратный ток через переход определяется величиной и направлением дрейфовой составляющей тока, и его величина зависит от вероятности появления неосновных носителей заряда на границе перехода. А т.к. эта вероятность определяется температурой, то обратный ток назвали тепловым токомI_т.

Вторая составляющая тока через p-n-переход - это ток термогенерацииI_тг, вызванный тепловой генерацией пар электрон-дырка в самом переходе (т.е. появлением основных носителей заряда). Наряду с процессом генерации происходит процесс регенерации, который обусловлен теми основными носителями областей pи n, которые, обладая достаточной энергией, попадают в область p-n-перехода и частично ре комбинируют с образовавшимися там зарядами. В равновесном состоянии (при отсутствии внешнего напряжения) токи термогенерации и рекомбинации компенсируют друг друга. При наличии обратного напряжения тормозящее поле p-n-перехода уменьшает ток рекомбинации, и ток термогенерации начинает над ним преобладать.

Третья составляющая тока через p-n-переход - ток поверхностной утечки, который линейно зависит от величины обратного напряжения и создается различными загрязнениями на внешней поверхности p-n-структуры:

. (2.9)

Т.о. обратный ток p-n-перехода состоит из трех составляющих:

1. тепловой ток, обусловленный неосновными носителями заряда;

2. ток термогенерации, обусловленный основными носителями;

3. ток поверхностной утечки, обусловленный выходом p-n-перехода на поверхность.

Вольт-амперная характеристика обратного включения p-n-перехода представлена на рис.2.5.

6 Вольт амперная характеристика р-н перехода

может заметно превысить температуру отдельных областей полупроводникового элемента и окружающей среды.

Тепловой баланс в полупроводниковой структуре устанавливается через некоторое время после включения тока и определяется теплопроводностью отдельных частей структуры. С целью повышения максимально допустимой мощности, выделяемой на р-п переходе, прежде всего следует улучшить теплообмен с окружающей средой. Более подробно вопрос теплового режима будет рассмотрен в гл. 3.

При прямом смещении р-п перехода его идеализированная ВАХ согласно (1.11) представляется однородной экспонентой. Однако реальная характеристика имеет несколько более сложную форму: состоит из нескольких участков с разными на­клонами. Отличия реальной ВАХ от идеализированной опреде­ляются несколькими причинами.

Первая причина обусловлена процессами рекомбинации в i-области р-п перехода. Она имеет место при малых прямых смещениях. В этом случае ∆φ еще велика, следовательно, имеет место малый уровень инжекции, т. е. в i-область из эмиттера и базы попадает малое число носителей заряда. При таком малом положительном смещении ширина перехода l еще довольно большая - объем i-области еще достаточно велик, следователь­но, в ней присутствует относительно много ловушек. Таким об­разом, за счет большого числа ловушек создаются очень благо­приятные условия в i-области для рекомбинации малого числа инжектированных носителей.

В рассмотренном случае ВАХ формируется за счет тока ре­комбинации, который тоже имеет экспоненциальную зависи­мость от напряжения, но более пологую, чем по (1.11). За счет такого пологого начального участка вид прямой ветви реальной ВАХ становится таким, как показано на рис. 1.11. На этом ри­сунке представлен параметр U_П,называемый напряжением «пятки». Хотя на сегодняшний день и нет четкого определения для этого параметра, он часто используется для прикидочных расчетов радиоэлектронных устройств. Будем несколько услов­но считать, что U_П - это напряжение на р-п переходе, при ко­тором I = 0,1 мА. Нетрудно заметить, что чем больше ∆φ₀ и l₀ (чем шире ε₃), тем должно быть больше и U_П. Следовательно, у кремниевых р-п переходов U_Пбольше, чем у германиевых, и меньше, чем у переходов из арсенида галлия (рис. 1.11). Следует отметить, что в формирование величины U_Попределенный вклад вносит и ток I₀.

Другая причина отличия реальной ВАХ от формы (1.11) об­условлена падением напряжения на объемном сопротивлении базы. Эта причина проявляется при достаточно больших токах. Заметим, что сопротивление базы r_б в реальных р-п переходах обычно составляет единицы или десятки Ом. Падение напряже­ния на этом сопротивлении Ir_б является той поправкой, которую следует ввести в формулу (1.11), чтобы учесть различие между напряжением на самом запорном слое р-п перехода и величиной внешнего напряжения U. С учетом такой поправки получаем

I = I0ехр[(U - Irб)/φт].

(1.13)

Падение напряжения на r_б приводит к появлению на ВАХ участка, называемого омическим. При больших токах значение ∆φ₀ становится небольшим, сопротивление обедненного слоя уменьшается и уже оказывается малосущественным, следовательно, в таком случае можно рассматривать р-п переход как простую двухслойную пластину, сопротивление которой приближенно равно сопротивлению ее высокоомного слоя r_б (ρ_э«ρ_б). Необходимо отметить, что учитывать падение напряжения на r_б необходимо для значительного, иногда даже основного, рабоче­го участка ВАХ р-п перехода.

Еще одна причина отличия реальной ВАХ от идеализирован­ной обусловлена модуляцией сопротивления базы при больших уровнях инжекции. Протекание больших токов определяется инжекцией большого числа носителей заряда из эмиттера в базу. В результате присутствия в базе большого числа неосновных носителей заряда ее объемное сопротивление уменьшится. Это обстоятельство делает необходимым учет влияния r_б = f(I) в формуле (1.13) для больших уровней инжекции.

Обратная ветвь ВАХ р-п перехода определяется обратным то­ком, который, как отмечалось выше, обычно довольно сильно возрастает при повышении температуры. Не останавливаясь здесь на анализе обратной ветви, рассмотрим влияние темпера­туры на прямую ветвь ВАХ р-п перехода. Температурная зависимость прямой ветви ВАХ согласно (1.11) определяется измене­ниями I₀ и φ_т . Заметим, что при больших токах необходимо со­гласно (1.13) также учитывать изменение r_б. Влияние этих температурно-зависимых параметров на ВАХ приводит к тому, что при малых прямых напряжениях ток возрастает с повышением температуры, а при больших - уменьшается. В принципе су­ществует даже точка (область), где величина тока практически не зависит от температуры. Однако эта термостабильная точка редко используется на практике, поскольку имеет место при до­статочно больших уровнях инжекции. Для большинства же ре­альных устройств ток в р-п переходе несколько возрастает с по­вышением температуры (при постоянном напряжении).

На практике чаще всего принято оценивать влияние темпера­туры на ВАХ р-п перехода, определяя изменение напряжения при постоянном токе. Для оценки изменения прямого напряже­ния при изменении температуры вводится температурный коэф­фициент напряжения (ТКН), характеризующий сдвиг ВАХ по оси напряжений. Обычно ТКН имеет отрицательный знак, что знаменует собой уменьшение напряжения на р-п переходе при постоянном токе с ростом температуры. Отметим, что ТКН зависит от тока и несколько уменьшается с его ростом. Для р-п переходов из кремния ТКН достигает - 3 мВ/град.