Зарядная емкость p-n-перехода

Изменение напряжения, приложенного к p-n-переходу, приводит к изменению величины зарядов ионов примесей слева и справа от границы перехода. Поэтому плоскостной переход можно рассматривать как систему, состоящую из двух плоскостей, имеющих одинаковые по величине и противоположные по знаку заряды, разделенных средой с диэлектрическими свойствами. Объемный заряд создается ионами примесей:

, (2.10)

где d выражается по формуле (2.3); U = Dj₀ + U_обр.

Зарядная (барьерная) емкость p-n-перехода зависит от внешнего напряжения и концентрации примесей; она возрастает при снижении обратного напряжения. Различают статическую и динамическую зарядные емкости p-n-перехода.

Статическая барьерная емкость определяется соотношением:

. (2.11)

Динамическая барьерная емкость определяется соотношением:

. (2.12)

Пробой p-n-перехода

С увеличением внешнего обратного напряжения растет напряженность электрического поля внутри p-n-перехода:

, (2.13)

где U = Dj₀ + U_обр »U_обр, когда U_обр>>Dj₀, а d можно выразить по формуле (2.4).

Т.о. при увеличении внешнего обратного напряжения растет напряженность электрического поля в p-n-переходе не смотря на увеличение его ширины. Напряженность электрического поля внутри p-n-перехода растет и с увеличением концентрации примесей.

Начиная с некоторого значения U_обр происходит пробой р-n-перехода, который выражается в резком увеличении обратного тока (рис.2.6).

Виды пробоя p-n-перехода:

1. туннельный пробой;

2. лавинный пробой;

3. тепловой пробой;

4. поверхностный пробой.

Туннельный пробой наблюдается в узких p-n-переходах с высокой напряженностью электрического поля (порядка 10⁵В/см). Под действием сильного электрического поля становится возможным преодоление электронами потенциального барьера. Напряжение туннельного пробоя лежит в пределах 3,3В.

Лавинный пробой характерен для широких p-n-переходов из низколегированных полупроводниковых материалов и основан на эффекте лавинного умножения носителей тока, ускоряемых полем перехода. Неосновные носители заряда, обладающие достаточной энергией, при попадании в p-n-переход могут выбить электрон из ковалентной связи атома кристаллической решетки в результате столкновения с ним. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда, которые, ускоряясь полем, могут произвести очередной разрыв связей. Этот процесс образования пар электрон-дырка внутри p-n-перехода происходит лавинообразно и характеризуется коэффициентом лавинного умножения М ³1. Лавинный пробой происходит при напряжениях больше 8В.

Лавинный и туннельный пробои относятся к так называемым электрическим побоям, особенностью которых является обратимость (при снятии внешнего напряжения свойства перехода восстанавливаются). На рис.2.6. электрическому пробою соответствует участок ВС. Если не ограничить ток при электрическом пробое, он может перейти в тепловой пробой.

Тепловой пробой обусловлен выделением тепла в переходе в процессе протекания обратного тока при большом обратном напряжении. Тепловой пробой происходит, если отводимая мощность меньше выделяемой мощности Р = I_обр×U_обр. За счет повышения температуры происходит интенсивная термогенерация носителей в переходе, что вызывает увеличение обратного тока. Это приводит к дальнейшему увеличению температуры и обратного тока. В результате ток через переход лавинообразно увеличивается, что приводит к разогреву участка перехода, и в итоге происходит расплавление этого участка. Такой процесс является необратимым. На рис.2.6. тепловому пробою соответствует участок CD.

Поверхностный пробой связан с выходом p-n-перехода на поверхность.