ВАХ идеализированного р-n перехода

Допущения:

- сопротивление частей кристалла примыкающих к переходу = 0;

- генерация и рекомбинация в области p-n перехода основных носителей отсутствует;

- ширина перехода имеет очень малую величину.

Можно показать что концентрации избыточных носителей Dn_pв р- области и Dp_n в n- области

D n_p = n_po(e^U/fT -1)

D p_n = p_no(e^U/fT -1) (5.12)

U – напряжение приложенное к переходу.

f _T - тепловой потенциал.

Ток через переход состоит из электронной и дырочной компонент

I_n = qSD_nDn_p/L_n

I_p = qSD_pDp_n/L_p (5.13)

S –площадь перехода

L_p и L_n – диффузионные длины дырок в n области и электронов в p области;

D_n и D_p – коэффициенты диффузии.

Подставляя в (5.13) выражения (5.12) получим аналитическое выражение ВАХ идеализированного диода:

I = I_n+ I_p= I_o(e^U/fT -1) (5.14)

где I_о [мкА] - обратный ток насыщения p-n перехода,

I_o= f(q, S, D_n, D_p) (5.15)

определяемый физиче­скими свойствами полупроводникового материала и называется тепловым обратным током;

Рис. 5.3 ВАХ p-n перехода

При комнатной температуре (Т = 300 К) f_T =0,026В и из 5.14:

I = I_o(e^40U -1) (5.16)

Прямая ветвь ВАХ

При U_пр > +0,05В à e^40U » 1 .

Ток через p-n переход при увеличении Uрезко возрастает.

I_пр = I_oe^40U (5.17)

Обратная ветвь ВАХ

Начиная с напряжения -0,05В à е^40U «1 и ею можно пренебречь. Ток через переход

I =I_обр ~ Iо [мкА] (5.18)

При повышении температуры прямой и обратный токи растут, а р-nпереход теряет свое основное свойство - одностороннюю проводимость.

Пробой p-n перехода

Возникает припревышении обратного напряжения U_обр некоторого допустимого значения U_{o6p max}

U_обр > U_{o6p max} (5.19)

При повышении обратного напряжения наступаетлавинный и тепловой пробой(ветвь загибается вниз, рис. 5.3)

Превышение обратного напряжения величины U_{o6p max} приводит к резкому

увеличению обратного тока, т.е. происходит резкое уменьшение сопротивления p-n-перехода.

Это явление называется пробоем p-n-перехода,а соответствую­щее ему напряжение — напряжением пробоя.

Различают электрическийи тепловой пробой.

Электрический пробой

При движении через p-n переход под дейст­вием электрического поля неосновные носите­ли заряда приобретают достаточную энергию для ионизации атомов решетки.

Пройдя через p-n переход и двигаясь с большой скоростью внутри полупроводника, электроны сталкива­ются с нейтральными атомами и ионизируют их.

В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые в свою очередь, разго­няются полем и создают возрастающее количество носителей тока.

Этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличе­нию обратного тока при постоянном обратном напряжении (обратная ветвь ВАХ перехода, рис.5.4).

Возможны два типа электрического пробоя: лавинный пробой и туннельный пробой

Рис. 5.4 Пробой p-n перехода

Лавинный пробойобычно развивается в достаточно широких p-n переходах.

В тонких р-n переходах при большой напряженности электрического поля развивается туннельный пробой.

Электрический пробой обратим, первоначальные свойства p-n перехода полностью восстанавливаются, если от­ключить источник э.д.с. от перехода. Электрический пробой используют в качестве рабочего режима в диодах-стабилитронах.

Тепловой пробой

Если температура p-n перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточным теплоотводом, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда.

Это приводит к дальнейшему нагреву р-n перехода и увеличению обратного тока до значений при которых наступает разрушение перехо­да. Такой процесс называется тепловым пробоем.

Т.о. допустимое обратное напряжение на переходе зависит от условий теплоотвода.

Тепловой пробой необратим, поэтому этот режим недопустим при эксплуатации полу­проводниковых приборов.