Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы3

Лекция 3. Реальный р-n переход.

Содержание:

• Обратная ВАХ реального диода.

• Пробой р-n перехода. Виды пробоя.

• Влияние токов термогенерации утечки на обратную ВАХ.

• Прямая ВАХ реального диода. Влияние сопротивления базы и тока рекомбинации на прямую ВАХ.

_{При выводе уравнения идеального р-n перехода считалось, что отсутствует рекомбинация и термогенерация носителей в обедненной области, пренебрегалось сопротивлением квазинейтральных областей и явлениями пробоя.}

Обратная ВАХ реального диода.

_{Пробой р-n перехода.При повышении обратного напряжения наблюдается пробой реального диода – явление резкого увеличения обратного тока с ростом обратного напряжения.}

_{Виды пробоя:}

1. _{Туннельный пробой}

2. _{Лавинный пробой}

3. _{Тепловой пробой}

_{Туннельный и лавинный пробои являются обратимыми, а тепловой – необратим.}

_{Туннельный пробой. В основе этого вида пробоя лежит квантово-механический туннельный эффект, т.е. прохождение электронов сквозь потенциальный барьер достаточно малой толщины, даже если высота барьера превосходит энергию электрона (рис.3-1).}

_{Под высотой барьера следует понимать ширину запрещенной зоны Eg, а под толщиной d – расстояние между «противостоящими» зонами. Тогда вероятность туннелирования будет определяться напряженностью электрического поля в переходе (E = U/l). Наблюдается очень сильная зависимость туннельного тока от напряженности электрического поля, в результате чего на обратной ветви ВАХ наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 3-2).}

_{Туннельный пробой наблюдается в р-n переходах с очень малой толщиной lобедненной области, что характерно для переходов с высокой концентрацией акцепторов и доноров (1-15).}

_{Лавинный пробой. Лавинный механизм пробоя заключается в лавинном «размножении» носителей в сильном электрическом поле. Если электрон или дырка, ускоренные электрическим полем в обедненной области, приобретают на длине свободного пробега энергию, превосходящую ширину запрещенной зоны Eg, то они могут разорвать одну из валентных связей, порождая электронно-дырочную пару (рис. 3-3).}

_{При достаточно большой напряженности электрического поля один носитель порождает несколько новых электронно-дырочных пар. Тогда ионизация может приобрести лавинный характер. Лавинный пробой характеризуется коэффициентом лавинного умножения}

,

где U_M – напряжение лавинного пробоя.

Коэффициент М зависит от материала и типа проводимости базы (табл. 3-1):

Таблица 3-1

Материал	Тип базы	n
Si	Электронная база	5
	Дырочная база	3
Ge	Электронная база	3
	Дырочная база	5

Смысл коэффициента лавинного умножения – среднее количество актов лавинного умножения в обедненной области.

Вольт-амперная характеристика описывается формулой

. (3-1)

Формально при U = U_M ток должен обращаться в бесконечность, но учет сопротивления квазинейтральных областей приводит к конечному, хотя и большому (по сравнению с I₀) обратному току. График обратной ВАХ имеет такой же характер, как и для туннельного пробоя (рис. 3-2), но опускается более круто.

Тепловой пробой. При протекании обратного тока в р-n переходе выделяется теплота. Температура перехода повышается, что приводит к росту теплового тока I₀ и росту тепловой мощности (P = UI₀). При недостаточном теплоотводе это может привести к лавинообразному увеличению токаи тепловой мощности. Процесс заканчивается недопустимым ростом температуры и необратимым изменением свойств р-n перехода. ВАХ при этом имеет вид (рис.3-4):

_{Ток термогенерации. В реальном р-n переходе при обратном напряжении в обедненном слое происходит термогенерация электронно-дырочных пар, которой мы пренебрегали в модели идеального перехода. Возникшие вследствие термогенериции носители движутся в электрическом поле в противоположных направлениях: электроны – в сторону n-области, а дырки – в сторону р-области. Дрейфовое движение этих носителей создает ток термогенерации IG, имеющий направление обратного тока. Скорость} генерации равна n_i/, где  - время жизни носителей в обедненной области. Умножая эту величину на объем обедненного слоя Sl(U), получаем число носителей, генерируемых в р-n переходе в единицу времени. Все эти носители перемещаются под действием электрического поля к нейтральным областям, образуя полный ток термогенерации:

. (3-2)

I_G зависит от:

1. обратного напряжения – растет с ростом обратного напряжения, т.к. l(U)увеличивается пропорционально при U_обр >>₀ (3-8);

2. температуры – увеличивается с ростом температуры, т .к. .

_{Отношение IG/I0  exp (Eg / 2kT) тем выше, чем больше ширина запрещенной зоны и ниже температура. Для кремниевых р-n переходов при комнатной температуре IG >> I0, однако тепловой ток I0 растет быстрее IG, и при достаточно высокой температуре I0 превосходит IG. Для германиевых переходов при комнатной температуре IG << I0, и ток генерации IG начинает играть заметную роль только при низких температурах.}

_{Ток утечки. Реальные р-n переходы имеют участки, которые выходят на поверхность полупроводникового кристалла. На поверхности вследствие дефектов кристаллической решетки, загрязнений и существования поверхностных энергетических уровней могут образовываться проводящие пленки, по которым идет ток утечки Iут. Ток утечки не насыщается и растет почти линейно с ростом обратного напряжения.}

_{Обратный ток складывается из трех составляющих:}

_{Iобр = I0 + IG + Iут.}

_{Совершенствование технологии позволяет уменьшить ток утечки до пренебрежимо малых величин.}

_Прямая ВАХ реального диода.

_{При выводе ВАХ идеального р-n перехода (2-9) рассматривались лишь самые главные эффекты: инжекция и экстракция неосновных носителей и их диффузия в нейтральных областях, прилегающих к обедненной области. В реальных р-n переходах наблюдается влияние тока рекомбинации и сопротивления нейтральных областей на прямую ВАХ.}

_{Ток рекомбинации. При термодинамическом равновесии процессы генерации и рекомбинации носителей происходят с одинаковой скоростью. При прямом смещении понижается потенциальный барьер, и носители, неспособные преодолеть барьер, проникают в обедненную область глубже, что приводит к увеличению вероятности их рекомбинации. Вследствие этого возникает дополнительный прямой ток, называемый током рекомбинации IR. Ток рекомбинации пропорционален концентрации носителей в собственном полупроводнике ni и exp (U / (2T)). Поэтому с ростом температуры он растет как IR  exp (-Eg / (2kT)), т.е. менее резко, чем диффузионный ток. Ток рекомбинации играет существенную роль в полупроводниках с широкой запрещенной зоной (Si, GaAs). В Ge р-n переходах он заметен при низких температурах. Полный прямой ток складывается из диффузионного тока и тока рекомбинации:}

_{I = Iдиф + IR.}

_{Из-за более сильной зависимости диффузионного тока от прямого напряжения (Iдиф = I0 exp (U/T)) ток рекомбинации неизбежно становится меньше диффузионного при достаточно большом прямом напряжении.}

_{Сопротивление базы. В несимметричных р-n переходах менее легированная область называется базой, а более легированная – эмиттером. При прохождении прямого тока следует учитывать падение напряжения не только на самом р-n переходе, но и на базе (сопротивление эмиттера мало по сравнению с сопротивлением базы, поэтому падением напряжения на эмиттере можно пренебречь). Тогда напряжение на диоде складывается из напряжения на р-n переходе Up-n и падения напряжения на базе Uб = Irб :}

_{U = Up-n + Uб . (3-3)}

_{При малых прямых токах Uб можно не учитывать, однако с ростом тока падение напряжения на базе может оказать существенное влияние на ВАХ. При высоком уровне инжекции само сопротивление базы падает с ростом тока (модуляция сопротивления базы) из-за инжекции большого количества неосновных неравновесных носителей. Ток р-n перехода определяется только напряжением на самом переходе:}

_,

_{из которой следует}

_{, или (используя (3-3))}

_{. (3-4)}

_{С учетом тока рекомбинации и сопротивления базы прямая ВАХ в полулогарифмическом масштабе имеет следующий вид (рис 3-5).}

_{Ge-диод имеет пренебрежимо малый ток рекомбинации, поэтому его прямой ток определяется диффузионным током, и наклон ВАХ в полулогарифмическом масштабе равен 1, пока падение напряжения на базе мало. С ростом прямого тока увеличивается падение напряжения на базе и наклон ВАХ уменьшается.}

_{У Si-диода при малых прямых токах преобладает IR, поэтому наклон равен ½. С ростом тока все большую роль играет диффузионный ток Iдиф, и наклон ВАХ достигает 1.Затем на ВАХ все большее влияние оказывает падение напряжения на базе, поэтому наклон уменьшается.}