Р-n переход

В этом случае под действием внешнего электрического поля основные носители заряда начнут перемещаться в сторону p-n перехода. На рис.4 представлены схема включения p-n перехода в прямом направлении и диаграмма

распределения потенциала вдоль p-n перехода.

Рис.4. Схема включения p-n перехода при прямом смещении и потенциальная диаграмма p-n перехода

На рис.4 обозначено: Uпр - напряжение внешнего источника, приложенного к p-n переходу в прямом направлении (прямое смещение p-n

lo - ширина p-n перехода в равновесном состоянии; lпр - ширина p-n перехода при подаче прямого напряжения Uпр.

11

При подаче внешнего напряжения на p-n переход изменяется его ширина, что видно из потенциальной диаграммы рис.4. При этом ширина прямосмещенного p-n перехода находится из выражения:

Из потенциальной диаграммы рис.4 следует, что при прямом смещении высота потенциального барьера снижается и становится равной

ϕпр =ϕк −Uпр.

Это приводит к резкому увеличению тока диффузии через переход: iD=iDp+iDn, так как все больше основных носителей заряда оказывается способными преодолеть меньший потенциальный барьер. В несимметричном p-n переходе ток диффузии создается в основном потоком дырок из p-области в n- область, так как встречный поток электронов мал и им можно пренебречь: (Nа=1018см-3)>>(Nд=1015см-3); iDp>>iDn. При этом в n-области существенно возрастает концентрация избыточных неосновных носителей заряда - дырок, перешедших из p-области. Это образование избыточной концентрации носителей заряда получило название инжекции.

Инжекцией называется процесс нагнетания носителей заряда в полупроводник, для которого они являются неосновными носителями заряда.

Область, инжектирующая носители заряда, называется эмиттером. Эта область сильно легирована примесями и имеет низкое удельное электрическое сопротивление. Область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, называется базой. База меньше легирована примесями и имеет большое значение удельного электрического сопротивления.

12

Энергетическая диаграмма p-n перехода при прямом смещении приведена на рис.5.

При прямом смещении уровень Ферми полупроводника в n-области смещается вверх относительно его положения в p-области на величину, равную e Uпр. Соответственно, на эту же величину снижается высота энергетического барьера. При этом дрейфовая составляющая тока p-n перехода не изменяется, так как условия перехода неосновных носителей заряда через p-n переход остаются теми же, что и в равновесном состоянии, то есть переход неосновных носителей заряда происходит в ускоряющем электрическом поле p-n перехода. Из-за снижения высоты энергетического барьера количество переходов основных носителей заряда в тормозящем электрическом поле p-n перехода будет резко увеличиваться, а, соответственно, возрастает диффузионная составляющая тока перехода.

Рис.5. Энергетическая диаграмма прямосмещенного p-n перехода

2.3.2. Обратносмещенный p-n переход

13

смещении p-n перехода ; ϕк - высота потенциального барьера в равновесном

состоянии p-n перехода; (ϕк+ Uобр ) - высота потенциального барьера при

обратном смещении p-n перехода.

Ширина обратносмещенного p-n перехода определяется по формуле:

формулы для lобр видно, что p-n переход расширяется нелинейно с увеличением приложенного напряжения Uобр: вначале более быстро, затем расширение p-n перехода замедляется.

При подаче Uобр увеличивается потенциальный барьер, так как напряженность внешнего электрического поля Eвн совпадает с направлением напряженности внутреннего электрического поля Eк, уменьшается число основных носителей заряда способных его преодолеть и ток диффузии уменьшается. Уже при Uобр =(0,1÷0,2) В ток диффузии становится равным нулю, а через p-n переход протекает только ток неосновных носителей заряда, образующих дрейфовую составляющую тока.

В результате действия обратного напряжения снижается концентрация неосновных носителей заряда у границ p-n перехода и появляется их градиент концентрации. Возникает диффузия неосновных носителей заряда к границам p-n перехода, где они подхватываются электрическим полем p-n перехода и переносятся через p-n переход. Это поясняется диаграммой рапределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в областях p-n перехода,

приведенной на рис.7, на котором обозначено Ln, Lp - длина диффузии электронов и дырок.

15

Рис.8. Энергетическая диаграмма обратносмещенного p-n перехода Уровень Ферми в n-области опускается вниз на величину обратного напряжения.

Обратный ток включает дрейфовую составляющую и равен:

iE =iEp +iEn =e pn µp E +e n p µn E .

С учетом принятых допущений имеем pn>>np и iEp>>iEn, а, следовательно, можно приближенно записать iE ≈iEp .

2.4.Вольтамперная характеристика реального p-n перехода

2.4.1.Прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода

Под прямой ветвью ВАХ реального p-n перехода понимается зависимость прямого тока перехода от величины прямого напряжения: Iпр=f(Uпр), которая описывается выражением:

Iпр = Io exp(UпрϕT ) −1

идолжна быть экспоненциальной как показано пунктиром на рис.9, на котором сплошной линией изображена прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода.

На прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода оказывают влияние: материал полупроводника, используемый для изготовления p-n перехода; сопротивление базы p-n перехода; температура окружающей среды.

Характеристика близка к экспоненциальной только в начале зависимости - участок ОА ВАХ, а далее рост тока при увеличении прямого напряжения замедляется и характеристика становится более пологой - участок АВ ВАХ. Этот участок характеристики называют омическим, поскольку здесь оказывает

17

влияние объемное сопротивление базы rБ p-n перехода. Ток, протекая через rБ , создает падение напряжения:

UrБ = Iпр rБ,

сучетом которого уравнение ВАХ принимает вид:

Iпр = Io exp((Uпр −rБ Iпр)ϕT ) −1 .

Объемное сопротивление базы находится по формуле rБ = ρБ WБ S ,

где ρБ - удельное электрическое сопротивление полупроводника области базы; WБ - ширина базы; S - площадь сечения базы.

Рис.9. Прямая ветвь ВАХ p-n перехода: 1 – идеальный p-n переход; 2 – реальный p-n переход

Влияние объемного сопротивления базы на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода проявляется в виде смещения прямой ветви в сторону больших значений прямых напряжений. Поэтому, чем больше rБ, тем положе идет прямая

ветвь ВАХ реального p-n перехода, как и отмечено на рис.9. Как правило, p-n

переходы с большими значениями rБ выполняются для повышения высоковольтности, то есть для увеличения допустимого рабочего обратного напряжения на p-n переходе.

Даже при одинаковых условиях: одинаковая концентрация примесей; постоянная температура окружающей среды, ВАХ p-n переходов, выполненных из разных полупроводниковых материалов, различны. Главная причина этого отличия - различное значение ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов.

18

Чтобы появился прямой ток, необходимо уменьшить величину потенциального барьера. Для этого на p-n переход нужно подать прямое напряжение, близкое к значению контактной разности потенциалов. В p-n переходе на основе германия ϕк=0,3÷0,4 В, в p-n переходе на основе кремния ϕк=0,6÷0,8 В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия ϕк=1,0÷1,2 В, поэтому прямая ветвь ВАХ кремниевого p- n перехода относительно германиевого смещается вправо на (0,3÷0,5) В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия это смещение ВАХ происходит еще больше. С увеличением температуры окружающей среды растет прямой ток p-n перехода. Выражение для прямого тока можно записать в виде:

Iпр ≈ Io exp(UпрϕT ) .

Отсюда следует, что при увеличении температуры показатель степени экспоненты уменьшается, но ток Iо растет быстрее, как отмечалось он удваивается при увеличении температуры на каждые 10°С, и, используя выражение для Iо, можно записать выражение для прямого тока в виде:

Iпр =const exp − ∆WЗ −e Uпр .

k T

Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода представлено на рис.10.

Для оценки влияния температуры вводится

температурный коэффициент напряжения прямой ветви, под которым понимается величина, показывающая на сколько изменится прямое напряжение для получения одной и той же величины прямого тока при изменении температуры на 1 градус.

ТКНпр = ∆Uпр/∆T =(Uпр2-Uпр1)/(T2-T1) ≈ - (1÷3) мВ/град С.

Iпр=const Iпр=Iпр1

Как видно, значение ТКН меньше нуля. Физическое объяснение этого факта сводится к следующему. При увеличении температуры уменьшается контактная разность потенциалов, энергия основных носителей заряда возрастает, соответственно растет диффузионная составляющая тока и прямой ток увеличивается.

2.4.2. Обратная ветвь ВАХ реального p-n перехода

19