P-n-переход при подаче внешнего напряжения

Рассчитаем прямой и обратный токи p-n-перехода, исходя из основных процессов в базе диода. Будем по-прежнему считать, что концентрация донорной примеси в эмиттере N_D = n_nзначительно превышает концентрацию акцепторной примеси в базе N_A = p_p. В этом случае и при прямом и при обратном напряжении можно учитывать только электронную составляющую тока i = i_n + i_p » i_n .

В самом деле, при прямом напряжении прямой ток определяется потоком основных носителей заряда, а т.к. n_n » p_p , то дырочной составляющей прямого тока можно пренебречь. При обратном напряжении обратный ток определяется потоком неосновных носителей заряда; поскольку

,

то и в этом случае дырочной составляющей обратного тока можно пренебречь.

Рассматривая процессы в p-n-переходе при подаче внешнего напряжения будем так же полагать, что сопротивление обедненной области, где подвижных носителей заряда практически нет, значительно больше, чем сопротивление областей n- и p-типа вне перехода. Это допущение позволит считать, что все внешнее напряжение падает на p-n-переходе и контактная разность потенциалов соответственно изменяется до величины j_K0±U, где знак “-” соответствует падению потенциального барьера вследствие подачи прямого напряжения на p-n-переход, а знак “+” - при подаче обратного напряжения(см. рис.2.2,а).

Распределение потенциала вдоль структуры p-n-перехода показано на рис.2.2,б.

При прямом напряжении (U >0) уменьшение потенциального барьера приводит к преобладанию потока электронов из эмиттера в базу (ПОНЗ) над потоком электронов из базы в эмиттер (ПННЗ). При этом электроны инжектируются в базу и концентрация электронов на границе x_p возрастает до величины

, которая уже при U=0,26 В ( =0,026В)

значительно превышает равновесную концентрацию в базе. Таким образом, инжекция электронов в базу приводит к появлению неравновесных носителей в базе Dn(x_p) = n (x_p) - n_p . Вследствие возникшего градиента концентрации в базе начинается процесс диффузии электронов от границы перехода x_p в глубину p-базы. По мере движения неравновесная концентрация уменьшается за счет рекомбинации.

Таким образом, три процесса определяют распределение неравновесной концентрации в базе p-n-перехода при прямом напряжении:

- инжекция - вызывает увеличение граничной концентрации n(x_p), то есть приводит к появлению неравновесных носителей заряда в базе;

- диффузия - является причиной движения электронов (ННЗ) через базу;

- рекомбинация - приводит к уменьшению неравновесной концентрации в базе вдали от p-n-перехода.

Распределение концентрации электронов в базе показано на рис. 2.2,в, оно описывается уравнением (1.34)

,

где n(x=x_p=0) - граничная концентрация ,

L_n -диффузионная длина электронов в базе.

Прямой электронный ток через p-n-переход может быть определен в любом сечении двухэлектродной структуры, однако удобнее это сделать в сечении x_p, где задана граничная концентрация .электронов

По своей природе электронный ток в сечении x_p является диффузионным и может быть рассчитан по формуле (1.44)

,

где S - площадь p-n-перехода, q - заряд электрона, D_n - коэффициент диффузии электронов.

С учетом

прямой ток p-n- перехода определяется выражением:

. (2.5)

Обозначим , эта величина имеет размерность тока, определяется концентрацией неосновных носителей заряда в базе n_p и называется тепловым током i₀.

Проведя аналогичные рассуждения для обратного смещения, отметим следующее: p-n-переход при обратном смещении экстрагирует (выводит) электроны из базы. Граничная концентрация уменьшается по сравнению с равновесной и определяется выражением:

,

которое отличается от соответствующего выражения при прямом напряжении полярностью напряжения U в экспоненте.

Три процесса определяют обратный ток p-n-перехода:

- экстракция электронов из базы;

- диффузия их из глубины базы к границе перехода x_p;

- генерация пар электрон - дырка в областях, где n(x)<n_p.

Распределение потенциала j(x) и концентрации n(x) для обратного напряжения приведены на рис. 2.2 г,д,е - правый столбец.

Вывод выражения для электронной составляющей обратного тока через p-n-переход полностью аналогичен выводу прямого тока.

Выражение для электронной составляющей обратного тока отличается от (2.5) только знаком внешнего напряжения и имеет вид :

.

Таким образом, ВАХ p-n-перехода описывается выражением

,

где i₀ - тепловой ток p-n-перехода, с учетом дырочной составляющей тепловой ток может быть записан в виде:

. (2.6)

Тепловой ток p-n-перехода определяется потоками ННЗ и зависит от концентрации примеси ( так как n_p = n_i²/N_A; p_n = n_i²/N_D ) и температуры (так как: n_i²~ exp T² ).

Увеличение температуры p-n- перехода приводит к увеличению теплового тока, а, следовательно, к возрастанию прямого и обратного токов.

Увеличение концентрации легирующей примеси приводит к уменьшению теплового тока, а, следовательно, к уменьшению прямого и обратного токов p-n-перехода.

На рис. 2.3 построена ВАХ идеального p-n-перехода, полученного при принятых нами допущениях. При построении ВАХ примем T= 300К, тогда kT/q = 0,026В. Оценим прямой и обратный токи p-n перехода при подаче внешнего напряжения U=±0,26 В. При U=+0,26 В (прямое напряжение) (2.5) приводится к виду:

i = i₀• (exp 10 – 1) » i₀·exp 10 >> i₀

Таким образом, уже при U = 0,26 В величина прямого тока значительно превышает тепловой ток p-n перехода.

При U = - 0,26 В (обратное напряжение)

i = i₀ · (exp–10 – 1) » - i₀.

Таким образом, при обратном напряжении через p-n переход протекает тепловой ток i₀ , значение которого не зависит от величины приложенного обратного напряжения.

ВАХ p-n-перехода представляет собой нелинейную зависимость между током и напряжением. В общем случае к p-n-переходу может быть приложено как постоянное напряжение, определяющее рабочую точку на характеристике, так и переменное напряжение, амплитуда которого определяет перемещение рабочей точки по характеристике. Если амплитуда переменного напряжения мала, перемещение рабочей точки не выходит за пределы малого участка характеристики и его можно заменить прямой линией. Тогда между малыми амплитудами тока и напряжения (или между малыми приращениями тока и напряжения Di и Du) существует линейная связь. В этом случае p-n-переход на переменном токе характеризуют дифференциальным сопротивлением

.

Аналитическое выражение r_pn получим, дифференцируя (2.5)

При прямом напряжении r_pn мало и составляет единицы - сотни ом, а при обратном напряжении - велико и составляет сотни и тысячи килоом.

Дифференциальное сопротивление можно определить графически по характеристике. (См. рис. 2.3, где указаны Du и Di).

ВАХ реального p-n-перехода

На рис.2.4 приведена вольтамперная характеристика реального p-n- перехода, здесь же пунктиром показана характеристика идеального p-n-перехода. Рассмотрим основные причины, приводящие к отличию характеристик.

При прямом напряжении на p-n- переходе (область 1 ) отклонение реальной характеристики от идеальной связано с конечным ( не нулевым) сопротивлением слаболегированной области базы (r_Б'). Часть внешнего напряжения U падает на объемном сопротивлении базы r_Б', поэтому напряжение на p-n-переходе уменьшается до величины Upn=U-i r_Б'. С учетом сопротивления базы, прямой ток реального p-n-перехода описывается уравнением:

. (2.7)

Таким образом, при одинаковой величине поданного напряжения ток реального p-n-перехода будет меньше, чем идеального.

При обратном напряжении обратный ток реального перехода оказывается больше чем ток идеального перехода, и, кроме того, величина обратного тока зависит от обратного напряжения (область 2 на рис. 2.4).

Причиной этого отличия является то, что при выводе выражения (2.5) нами не учитывалась тепловая генерация в области объемного заряда. Вследствие малой концентрации носителей заряда в p-n-переходе скорость генерации пар носителей зарядов в этой области преобладает над скоростью рекомбинации; любая пара носителей заряда, генерируемая в этой области, разделяется полем перехода, а , следовательно, к тепловому току добавляется генерационная составляющая.

При обратном напряжении обратный ток реального перехода оказывается больше, чем ток идеального перехода, а, кроме того, величина обратного тока зависит от обратного напряжения (область 2 на рис. 2.4). Причиной этого отличия является то, что при выводе выражения (2.5) нами не учитывалась тепловая генерация в области объемного заряда. Вследствие малой концентрации носителей заряда в p-n-переходе, скорость генерации пар носителей заряда в этой области преобладает над скоростью рекомбинации; любая пара носителей заряда, генерируемая в этой области, разделяется полем перехода, а следовательно, к тепловому току добавляется генерационная составляющая ( Рис. 2.5).

Величина тока генерации пропорциональна ширине p-n- перехода, а следовательно, зависит от приложенного обратного напряжения. Для германиевых p-n-переходов обе составляющие обратного тока одного порядка; для кремниевых p-n-переходов ток генерации на несколько порядков может превышать тепловой ток.

При достаточно больших обратных напряжениях (область 3 на рис. 2.4) в p-n-переходе может произойти пробой. Пробоем называется неограниченное увеличение тока при постоянном или даже уменьшающемся напряжении на p-n-переходе.

Различают три вида пробоя: лавинный, туннельный, тепловой.

Лавинный пробой ( область 3, рис. 2.4) связан с возникновением ударной ионизации атомов полупроводника в области объемного заряда при высокой напряженности электрического поля . При больших обратных напряжениях процесс ударной ионизации лавинообразно нарастает, что приводит к увеличению обратного тока.

Туннельный пробой связан с туннельными переходами электронов сквозь узкий и высокий потенциальный барьер. Такой пробой возникает в p-n-переходах на базе сильнолегированных областей n- и p-типа.

Лавинный и туннельный пробои обратимы, то есть при включении в цепь p-n-перехода ограничивающего ток сопротивления эти виды пробоя не приводят к разрушению p-n-перехода.

Тепловой пробой ( область 4, рис. 2.4) наступает при условии, когда выделяемая в p-n-переходе мощность Р_ВЫД. оказывается больше, чем отводимая. В этом случае температура p-n-перехода лавинообразно возрастает, что в конечном счете приводит к необратимому разрушению p-n-перехода. Чтобы предотвратить тепловой пробой, необходимо улучшать теплоотвод от p-n-перехода.

Влияние температуры на ВАХ p-n-перехода

рис. 2.5 Вольтамперные характеристики p-n-перехода для двух значений температуры окружающей среды

. С ростом температуры падает прямое напряжение на p-n-переходе при заданном токе и растет обратный ток при заданном напряжении.

Прямой ток p-n-перехода определяется ПОНЗ, который зависит от величины потенциального барьера в p-n-переходе. Увеличение температуры приводит к уменьшению потенциального барьера, а следовательно, к увеличению прямого тока.

Обратный ток p-n-перехода определяется ПННЗ. Увеличение температуры приводит к увеличению скорости тепловой генерации, концентрация неосновных носителей заряда в полупроводнике растет, а следовательно, растет обратный ток.

Для количественной оценки влияния температуры на ВАХ p-n-перехода используют два параметра.

Температурный коэффициент напряжения (ТКН) показывает, на сколько изменится прямое напряжение на p-n-переходе (DU) при заданном изменении температуры DТ при постоянном токе через p-n-переход:

.

Для германиевых p-n-переходов ТКН » -2 мВ/град, для кремниевых p-n-пе-реходов ТКН » -3 мВ/град.

Температура удвоения обратного тока p-n перехода Т^* позволяет рассчитать обратный ток i_ОБР(Т₀ + DТ) при возрастании температуры на DТ по известному значению обратного тока при заданной температуре Т₀.

i_ОБР(Т₀ + DТ) = i_ОБР(Т₀)·2^DТ/Т*.

Для германиевых p-n-переходов обратный ток удваивается на каждые 10°C (Т* = 10°C) , для кремниевых - Т* = 8°C.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 1247; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!