Полная вольт-амперная характеристика перехода

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики перехода

При подключении к диоду источника внешнего напряжения в обратном направлении (рис. 2.3, а)потенциальный барьер возрастает на величину U_b и становится равным (φ ₀ + U_b) (рис. 2.3, б). При этом увеличиваются объемный заряд в р-п-переходе и его ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через p-n-переходосновных носителей заряда, вследствие чего диффузионный ток, создаваемый этими носителями, уменьшается. Дрейфовый же ток, обусловленный концентрациями неосновных носителей заряда по обе стороны перехода (J_др = J_{др р} + J_{др n}), можно считать неизменным (рис. 2.3, в). Однако теперь он будет превышать диффузионный ток. Через диод будет протекать ток в обратном направлении:

J_b = J_др – J_диф. (2.5)

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики перехода показана на рис. 2.3, г. При небольших обратных напряжениях (участок 0—1)увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения диффузионной составляющей. При обратном напряжении, соответствующем точке 1 и большем, основные носители заряда не способны преодолеть потенциальный барьер, в связи с чем диффузионный ток равен нулю. Этим объясняется отсутствие роста обратного тока при увеличении обратного напряжения (участок характеристики левее точки 1).

Рис. 2.3. Полупроводниковый диод при подключении внешнего напряжения в обратном направлении: а — схема включения; б — потенциальный барьер при обратном напряжении;
в — распределение концентраций носителей заряда;
г — обратная ветвь вольт-амперной характеристики

Приведенная на рис. 2.3, в диаграмма распределения концентраций соответствует обратным напряжениям, превышающим напряжение в точке 1. Она подтверждает неизменность обратного тока на рассматриваемом участке. В отсутствие инжекции распределение концентраций носителей заряда в прилегающих к р-п-переходу слоях характеризуется уменьшением концентраций неосновных носителей вследствие их ухода через p-n-переход. На границах p-n-перехода для неосновных носителей заряда действует ускоряющее поле p-n-перехода, вследствие чего их концентрация там равна нулю. Поскольку в прилегающих к p-n-переходу слоях полупроводник должен оставаться электрически нейтральным, уменьшение в них концентрации неосновных носителей заряда вызывает аналогичное уменьшение концентрации основных носителей заряда. Однако ввиду существенно большей концентрации основных носителей заряда это снижение слабо отражается на их значениях (на рис. 2.3, б не показано).

Составляющие дрейфового тока (J_{др p} и J_{др n}) создаются неосновными носителями заряда (дырками и электронами), диффундирующими к границам p-n-перехода из прилегающих к ним слоев. Они определяются по градиентам концентрации неосновных носителей заряда на границах p-n-перехода, т.е. из условия их диффузии в направлении перехода, и не зависят от приложенного напряжения U_b.

Обратный ток, создаваемый неосновными носителями заряда, зависит от их концентраций в р- и n-слоях, а также от рабочей поверхности p-n-перехода. Этим объясняется тот факт, что в мощных диодах, имеющих большую площадь р-п-перехода, обратный ток больше, чем в маломощных. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда является функцией температуры кристалла, обратный ток диода также зависит от температуры. По этой причине обратный ток иногда называют тепловым. Увеличение обратного тока с ростом температуры подчиняется примерно экспоненциальному закону.

Как известно концентрация неосновных носителей заряда уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны на энергетической диаграмме полупроводника. Ширина запрещенной зоны в кремнии (1,12 эВ) больше, чем в германии (0,72 эВ). В силу этого обратный ток в кремниевых переходах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, и кремниевые переходы допускают эксплуатацию при более высокой температуре полупроводниковой структуры (135—140°С против 50—60°С у германиевых переходов). Кроме того, кремниевые переходы применимы при более высоких обратных напряжениях, чем германиевые (2500—3500 В против наибольших значений 500—600 В у германиевых переходов).

Полная вольт-амперная характеристика перехода

Полная вольт-амперная характеристика полупроводникового перехода приведена на рис. 2.4. От характеристики идеального диода она отличается наличием некоторого падения напряжения на приборе при пропускании прямого тока и обратного тока в случае приложения обратного напряжения.

Рис. 2.4. Идеализированная воль-амперная характеристика диода

Как известно, прямой ток перехода создается основными, а обратный — неосновными носителями заряда. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию неосновных носителей. Этим и обусловливаются вентильные свойства р-п-перехода.

Проведенному техническому анализу вольт-амперной характеристики перехода соответствует ее запись в аналитической форме:

, (2.6)

где I_{s =} sJ_др —ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда: φ_Т — тепловой потенциал.

При U = 0 согласно соотношению (2.6) I_{a =} 0. В случае приложения прямого напряжения (U = U_a > 0) в (2.6) единицей можно пренебречь и зависимость I_a(U_a) будет иметь экспоненциальный характер. В случае обратного напряжения (U = U_b < 0) можно не учитывать достаточно малую величину и тогда I_a = I_b = –I_s