P-n-переход при обратном включении

Обратным называется такое включение р-n-перехода,

при котором происходит

повышение потенциального барьера.

Для этого плюс источника подключают к n-области,

а минус -

к р-области (рис.6). Повышение потенциального барьера приводит к понижению

тока диффузии (диффузия основных носителей через плоскость ММ затрудняется).

В

результате чего потоки дырок из

p-области в n-область и электронов из

n-области в

p-

область уменьшаются по сравнению с равновесным состоянием.

Это приводит к

снижению концентраций неосновных носителей заряда не только в запорном слое, но и в

прилегающих к нему областях.

Явление обеднения n- и p-областей полупроводника, прилежащих к запорному слою,

неосновными носителями при обратном смещении называется

экстракцией неосновных

носителей.

В

результате

экстракции

неосновные

Евнутр

носители

заряда

из

глубины

p-

и

n-областей

дрейфуют

к

запорному

слою,

однако

-

-

+

p

-

+

+

n

рекомбинация их с основными носителями не

+

-

+

-

позволяет полностью выровнять концентрацию

-

+

неосновных носителей у границ запорного слоя

и вдали от него. Поэтому по мере удаления от

EВ

Rн

границ

запорного

слоя

концентрации

-

+

неосновных

носителей

повышаются.

При

φ

обратном

смещении

высота

потенциального

барьера повышается по сравнению с

EВ

φВ

равновесным

состоянием. В

результате поток

Uк

основных

носителей,

способных

преодолеть

x

этот

барьер,

резко

уменьшается.

Результирующий

ток

через

p-n-переход

Р

1 2. P

-

Обратное

смещение

направлен

в

этом

случае от n-области

к p-

Рис.6

перехода

области, т.е. совпадает по направлению с током,

создаваемым дрейфовыми потоками неосновных носителей.

Такой

ток

называют

обратным

током

p-n-перехода.

С

возрастанием

величины

обратного напряжения

диффузионные потоки основных носителей уменьшаются,

а обратный ток увеличивается.

Однако уже при сравнительно небольших обратных напряжениях

(около

0,1В)

диффузионное движение основных носителей через переход практически полностью

прекращается.

Начиная с этого момента,

обратный ток перехода определяется только

дрейфовым движением неосновных носителей и слабо зависит от величины обратного

напряжения.

С

повышением

температуры

I

T >T

1

2

полупроводника концентрация неосновных

носителей

повышается,

что приводит к

увеличению как прямого, так и обратного

токов p-n-перехода.

ВАХ диода для двух

различных

значений

температуры

приводятся на рис.1.5.

U

IS1

IS2

Рис.1.5. Влияние температуры

на ВАХ p-n-перехода

(Полупроводниковым

диодом называется полупроводниковый прибор с одним

электронным переходом и двумя выводами.)

В проведенном анализе,

позволяющем главным образом объяснить принцип

действия полупроводникового диода,

не учитывались некоторые факторы,

отражающиеся

на его реальной вольт-амперной характеристике.

На прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода оказывает влияние

объемное сопротивление слоев р-n-структуры

(особенно при больших токах),

увеличивающее падение напряжения

Uа на диоде. В кремниевых диодах это влияние

более значительно,

чем в германиевых, так как из-за меньшей подвижности носителей

заряда удельное сопротивление кремния выше. С учетом падения напряжения в слоях в

кремниевых диодах при протекании прямого тока

Uа

= 0,8 - 1,2В, а в германиевых 0,3-

0,6 В.

На обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода оказывают влияние

ток утечки через

поверхность

p-n-перехода и генерация носителей заряда, которая

является причиной возможного пробоя p-n-перехода. Оба фактора приводят к тому, что

обратная ветвь вольтамперной характеристики диода принимает вид,

показанный на рис.

1.12.

Ток утечки

связан

линейной

зависимостью с

напряжением

Uь.

Он создается

различными загрязнениями на внешней поверхности р-n-структуры,

что повышает

поверхностную электрическую проводимость p-n-перехода и обратный ток через диод.

Эта составляющая обратного тока обусловливает появление наклонного участка 1-2 на

характеристике диода (рис.1.12).

Влияние генерации носителей заряда в p-n-переходе

обычно

сказывается

при

повышенных

обратных

напряжениях.

Оно проявляется вначале в нарушении

линейной зависимости изменения обратного тока от

напряжения Ub (участок 2-3), а затем в резком возрастании

обратного тока

(участок 3-5),

характеризующем пробой р-. п-

перехода.

В

зависимости от

причин,

вызывающих появление

дополнительных носителей заряда

в р-n-переходе, различают

электрический

пробой и тепловой пробой.

Электрический

пробой,

в свою

очередь,

может быть

лавинным

или

туннельным рассмотрим эти виды пробоя.

Лавинный

пробой

обусловлен

лавинным

размножением носителей в р-n-переходе в результате

ударной

ионизации атомов быстрыми носителями заряда.

Он происходит следующим

образом.

Неосновные носители заряда, поступающие в

p-n-переход при действии

обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами

кристаллической решетки.

При соответствующей напряженности электрического поля

носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов.

При этом образуются дополнительные пары носителей заряда

- электроны и дырки,

которые,

ускоряясь полем,

при столкновении с атомами также создают дополнительные

носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер.

Лавинный пробой возникает в широких p-n-переходах,

где при движении под

действием электрического поля носители заряда,

встречаясь с

большим количеством

атомов кристалла,

в промежутке между столкновениями приобретают достаточную

энергию для их ионизации.

,

(2.1)

где

S –

площадь р-n-перехода; pn, np

–

равновесные концентрации дырок в n-

области и электронов в р-области; Lp, Le –

диффузионные длины дырок в n-области и

электронов в р-области; U – внешнее напряжение, приложенное к р-n переходу; Т –

температура полупроводника; k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона.

Из

уравнения

(2.1) видно, что с увеличением прямого напряжения

(U>0)

диффузионная ёмкость р-n-перехода быстро возрастает. При обратном смещении

(U<0)

диффузионная ёмкость

уменьшается, и при достаточно большой величине обратного

напряжения ее можно считать равной нулю.

При обратном смещении емкостные свойства р-n-перехода обусловлены

образованием областей объемных зарядов ионизированных примесных атомов и

характеризуются так называемой барьерной ёмкостью, которая для резкого р-n-перехода

определяется выражением

,

(2.2)

где

Na, Nд – концентрации атомов акцепторной примеси в р-области и донорной

примеси

в

n-области,

соответственно; UK

–

контактная

разность потенциалов р-n

перехода;

H -

относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; H0 –

электрическая постоянная.

Из выражения

(2.2) следует, что барьерная ёмкость тем больше, чем выше

концентрации примесей в полупроводнике и чем меньше напряжение, приложенное к

переходу.

Учитывать барьерную ёмкость особенно важно при достаточно больших

обратных смещениях р-n перехода, так как диффузионная емкость при этом практически

равна нулю.

При прямом смещении барьерная емкость значительно меньше

диффузионной.

бар

R

I

I

Rd

Rб

VD

Е

Uд

Сдиф

Рис.2.2.

Схема включения

U

Uд

диода для анализа

переходных процессов

Рис.2.1.

Эквивалентная схема

замещения p-n-перехода

отсутствуют

подвижные

носители.

При подаче на р-n-переход прямого напряжения

область объёмных зарядов, во первых,

сужается, а во вторых,

обогащается подвижными

носителями,

что приводит к резкому снижению величины

Rd.

Сопротивление

Rб

зависит от приложенного напряжения слабее, чем

Rd. Тем не

менее при обратном смещении оно больше из-за экстракции неосновных носителей, а при

прямом смещении оно меньше из-за инжекции неосновных носителей в р-

и n-области

полупроводника.

Переходные процессы в р-n-переходе при подаче прямого напряжения

Рассмотрим переходные процессы в р-n-переходе на примере полупроводникового

диода, включенного по схеме,

приведённой на рис.2.2.

Условимся также, что параметры

схемы таковы, что при подаче напряжения Е положительной полярности величина тока I в

цепи не зависит от процессов,

происходящих в диоде.

Это возможно в том случае, если

сопротивление R

значительно больше суммарного сопротивления диода (R>>RVD). Тогда

прямой ток будет определяться сопротивлением R.

Наглядное представление о характере происходящих при подаче прямого

напряжения переходных процессов дают временные диаграммы напряжений и токов,

приведённые на рис.2.3. Проанализируем их.

Прямое напряжение на диоде

Uд=U+Uб

Е

При подаче на вход схемы скачком

напряжения

Е(t)

положительной

полярности

(рис.2.3,а)

ток

через

диод

также скачком

0

tи

t

нарастает до величины

I+=E/R

(рис.2.3,б).

б)

I

В начальный момент времени полное

падение

напряжения

на

диоде

Uд

(рис.2.3,д)

I+

равно

падению

напряжения

Uб

на

0

tи

t

сопротивлении

базы

Rб

(рис.2.3,г)

и

в)

определяется величиной тока I+

U

Uд (0)=Uб (0)=U1 = Rб I+

(2.3)

Напряжение

U

на

р-n-переходе

U3

(рис.2.3,в)

при

этом

равно

нулю,

т.к.

он

0

tи

t

шунтирован ёмкостью, напряжение на которой,

г)

как следует из второго закона коммутации,

не

Uб

может измениться скачком.

U1

По

мере

диффузии

неосновных

носителей

заряда

в

базу

её

сопротивление

0

tи

t

уменьшается, а следовательно,

уменьшается

и

д) Uд

падение напряжения на ней

(рис.2.3,г).В то же

время напряжение на р-n-переходе возрастает,

U1

U2

∆U

так как ёмкость р-n-перехода заряжается.

U3 ∆t

Полное

падение

напряжения

на

диоде

0

t

определяется суммой

напряжений

Uб

и U

и

изменяется по закону,

показанному на рис.2.3,д.

Рис.2.3. Временные диаграммы

Если

Величина

начального

скачка

переходных процессов в диоде при

напряжения базы

U1

больше установившегося

подаче скачком прямого

значения

(U2) (это возможно при больших

напряжения

занчениях тока I+),

то этот режим называется

режимом с высоким уровнем инжекции и

соответствует сплошной линии рис.2.3д.

Если

величина

тока

I+

невелика, то уровень инжекции неосновных носителей

заряда в

р-n-переходе

низок

,

а

сопротивление

базы

Rб изменяется незначительно.

Диаграмма

напряжения

Uб

в этом

случае

практически

повторяет диаграмму тока I

(рис.2.3,б),

а на диаграмме суммарного напряжения на

диоде

Uд

отсутствует

первоначальный пик U1,

как это показано на рис.2.3,д пунктиром.

Переходные процессы в р-n-переходе при выключении диода

Выключение диода может быть достигнуто либо уменьшением входного

напряжения до

нуля,

либо подачей входного напряжения обратной полярности.

Рассмотрим вначале переходные процессы,

возникающие в р-n-переходе при снятии

скачком входного

напряжения.

Временные диаграммы этих процессов также

представлены на рис.2.3.

В момент tu (рис.2.3,а), когда входное напряжение Е скачком уменьшается до нуля,

также скачком уменьшаются до нуля ток диода I (рис.2.3,б) и падение напряжения Uб на

сопротивлении базы (рис.2.3,г). В то же время напряжение

U на р-n-переходе скачком

измениться не может,

так как не могут измениться скачком концентрации неосновных

носителей заряда в р- и n-областях. Накопленные вблизи границ р-n-перехода избыточные

неосновные носители заряда постепенно рассасываются путём диффузии вглубь базы и

рекомбинации там с основными носителями.

Ёмкость р-n

перехода постепенно

разряжается и напряжение на переходе падает (рис.2.3,в). Полное падение напряжения на

диоде (рис.2.3,д) при этом равняется падению напряжения на р-n-переходе.

Анализ показывает, что описанный выше процесс снижения напряжения на p-n-

переходе подчиняется приближённому закону

(2.4)

где

U3

–

напряжение на р-n

переходе в момент

снятия

внешнего

напряжения

(рис.2.3,в);

τ –

время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.

Из

уравнения (2.4)

следует,

что напряжение на р-n

переходе

уменьшается

практически линейно.

Это обстоятельство используют для экспериментального

определения времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода.

Величина Wр

определяется по наклону линейного участка U(t) по формуле:

(2.5)

где 't и

'U показаны на рис.2.3,д.

Следует отметить, что время жизни неосновных носителей заряда зависит от

уровня инжекции, которая определяется величиной напряжения Е, приложенного к р-n-

переходу.

При низком уровне инжекции время жизни практически постоянно, а при

высоком уровне инжекции оно изменяется.

Измерение

напряжения

U3

на р-n-переходе,

которое

часто называют

послеинжекционным, в зависимости от величины прямого тока через диод позволяет

найти контактную разность потенциалов на р-n-переходе.

С увеличением амплитуды

импульсов прямого

тока

величина

U3

стремится

к

постоянному значению,

приближающемуся к контактной разности потенциалов Uk.

Рассмотрим теперь переходные процессы,

возникающие в р-n-переходе при подаче скачком

напряжения

обратной

полярности.

Временные

0

диаграммы,

иллюстрирующие

рассматриваемый

t0

t

случай, представлены на рис.2.4.

В момент

t0

входное напряжение скачком

б)

I

изменяется от положительного значения Е+

до

I+

tст

Is

отрицательного значения Е-

(рис.2.4,а).

Поскольку

0

t

концентрация

неосновных

носителей

в р-

и n-

I-

областях диода не может измениться мгновенно, то

в)

с момента переключения накопленные неосновные

U

носители

начинают

диффундировать

через

р-n-

U3

t1

переход в обратном направлении.

При этом через

0

t

диод протекает обратный ток, который может быть

E-

довольно значительным.

Величина обратного тока I-

ограничивается в основном только сопротивлением

г)Uб

внешней цепи R (рис.2.2).

0

Протекание обратного тока сопровождается

t

уменьшением

избыточных

концентраций

неосновных носителей в р- и n-областях, но до тех

д)Uд

пор,

пока эти концентрации на границах р-n-

перехода

выше

равновесных,

обратный

ток

постоянен

(ступенька на рис.2.4,б).

Длительность tст

0

этой ступеньки может быть найдена по формуле

t

,

(2.6)

E-

Рис.2.4.

Временные диаграммы

где

функция,

стоящая

в

левой

части,

переходных процессов при

подаче на диод обратного

называется

интегралом

вероятности.

Ее

график

напряжения

приведен

на

рис.2.5.

Аналитически ее можно

аппроксимировать функцией

,

где

.

(2.7)

Уравнение (2.6) используется для экспериментального определения времени жизни

τР неосновных носителей заряда в базе.

Для этого по диаграмме тока диода

(рис.2.4,б)

измеряются tст

и отношение I- / I+

, подстановка которых в формулу (2.6) позволяет найти

τР.

На

рис.2.4,в

приведена

диаграмма

напряжения на р-n-

1,0

переходе,

из которой видно. что в

интервале

времени

от

t0

до

t1

напряжение

на

р-n-переходе

U

0,6

остаётся положительным,

несмотря

на то,

что внешнее

напряжение

Е

0,4

отрицательно. Это объясняется тем,

что

ёмкость

р-n-перехода

до

0,2

момента

t0

была

заряжена

положительно, и после смены знака

внешнего

напряжения

требуется

0

0,2

0,4 0,6 0,8

1,0

1,2

время для ее перезарядки.

В

момент

t1

(рис.2.4,в)

концентрация

неосновных

Рис.2.5. График функции

носителей заряда на

границах р-n-

перехода

достигает

равновесного

значения,

вследствие чего напряжение на переходе обращается в нуль. С этого момента на

р-n-переходе появляется обратное смещение,

растущее с течением времени и

достигающее в конце концов значения приложенного внешнего напряжения.

Кроме того,

с момента

t1

концентрация неосновных носителей на границах р-n-перехода становится

ниже равновесной, зона перехода обедняется носителями,

что приводит к снижению

обратного

тока, который в конце концов достигает величины обратного тока насыщения

(рис.2.4,б).

Характер напряжения на сопротивлении базы (рис.2.4,г) определяется характером

тока через диод.

Полное падение напряжения на диоде

(рис.2.4,д) представляет собой

сумму напряжений на р-n-переходе и на сопротивлении базы.

Переходные процессы, происходящие при переключении напряжения на р-n-

переходе,

определяют его

быстродействие

–

основной

параметр полупроводниковых

приборов,

используемых в схемах импульсной и вычислительной техники.

Для

увеличения быстродействия р-n-перехода необходимо уменьшать его ёмкость и время

жизни неосновных носителей заряда. Первое достигается изготовлением р-n-переходов с

как можно меньшей площадью, второе

–

использованием материалов

с высокой

скоростью рекомбинации.