3.4 Температурні та частотні властивості p-n переходу

Властивості р-n переходу істотно залежать від температури навколишнього середовища. При підвищенні температури зростає генерація пар носіїв заряду — електронів і дірок, тобто збільшується концентрація неосновних носіїв і власна провідність напівпровідника. Це наочно показують вольт - амперні характеристики германієвого р-n переходу, зняті при різній температурі (рис.18). Як видно з рисунка, при підвищенні температури прямої і зворотної струми ростуть, а р-n перехід втрачає свою основну властивість - однобічну провідність.

Залежність від температури зворотної вітки вольт – амперної характеристики визначається температурними змінами струму насичення. Цей струм пропорційний рівноважній концентрації неосновних носіїв заряду, що зі збільшенням температури зростає по експонентному законі. По цьому ж закону з ростом температури збільшується і струм насичення

,

де І₀(Т) і І₀(Т₀) — зворотні струми насичення при розглянутій (Т) і кімнатній (Т₀) температурах; — перепад температур;α — коефіцієнт, що залежить від властивостей напівпровідника.

Для германієвих і кремнієвих р-n переходів зворотний струм зростає приблизно в 2—2,5 рази при підвищенні температури на кожні 10 °С.

Рис.18

Прямий струм р-n-переходу при нагріванні зростає не так сильно, як зворотний струм. Це пояснюється тим, що прямий струм виникає в основному за рахунок домішкової провідності. Але концентрація домішок від температури практично не залежить. Температурна залежність прямої вітки вольт - амперної характеристики визначається змінами струму І₀ і показника експоненти.

Для германієвих приладів верхня температурна межа 70...90°С. У кремнієвих приладів унаслідок більшої енергії, необхідної для відриву валентного електрона від ядра атома, ця межа більш висока: 120...150°С.

Властивості р-n-переходу залежать також від частоти прикладеної напруги. Це пояснюється наявністю власної ємності між шарами напівпровідника з різними типами провідності.

При зворотній напрузі, прикладеній до р-n-переходу, носії зарядів обох знаків знаходяться по обидві сторони переходу, а в області самого переходу їх дуже мало. Таким чином, у режимі зворотної напруги р-n-перехід являє собою ємність, величина якої пропорційна площі р-n-переходу, концентрації носіїв заряду і діелектричній проникності матеріалу напівпровідника. Цю ємність називають бар'єрною (С_б). При малій зворотній напрузі, прикладеній до р-n-переходу, носії зарядів протилежних знаків знаходяться на невеликій відстані друг від друга. При цьому власна ємність р-n-переходу велика. При збільшенні зворотної напруги електрони усе далі відходять від дірок по обидві сторони від р-n-переходу і ємність р-n-переходу зменшується. Отже, р-n-перехід можна використовувати як ємність, керовану величиною зворотної напруги.

При прямій напрузі р-n-перехід, крім бар'єрної ємності, має так називану дифузійну ємність С_диф. Ця ємність обумовлена нагромадженням рухливих носіїв заряду в n- і р областях. При прямій напрузі в результаті інжекції основні носії заряду у великій кількості дифундують через знижений потенційний бар'єр і, не встигнувши рекомбінувати, накопичуються в n- і р-областях. Кожному значенню прямої напруги U_пр відповідає визначена величина заряду Q_диф накопиченого в області р-n переходу. Тому

.

Дифузійна ємність не робить істотного впливу на роботу р-n переходу, тому що вона завжди зашунтована малим прямим опором переходу. Найбільше практичне значення має бар'єрна ємність.