4. Емкость идеального p-n перехода

Как отмечено ранее, приграничные зоны p-n перехода характеризуются пониженной концентрацией носителей заряда, т. е. граница p-n перехода обладает высоким удельным сопротивлением и переход можно рассматривать как конденсатор. На обкладках этого конденсатора имеются равные по величине, но противоположные по знаку заряды . Емкость, обусловленная перераспределением зарядов в p-n переходе, называется барьерной. В общем случае емкость определяется выражением . Суммарный заряд на одной из обкладок конденсатора можно найти из следующего выражения: , где S — площадь p-n перехода. Подставив зависимость (0) в последнюю формулу и продифференцировав по напряжению, получим следующее выражение для барьерной емкости:

.

Ф4 (0)

Первый сомножитель в (0) определяет емкость обычного плоского конденсатора, второй — характеризует зависимость барьерной емкости от приложенного обратного напряжения.

5. Полупроводниковый диод

Рассмотренный идеальный p-n переход обладает вентильным свойством: он пропускает ток в одном направлении и практически не пропускает его в противоположном направлении. Данное свойство p-n перехода используется в полупроводниковом приборе, называемом «диод».

Рис. 6

Полупроводниковый диод представляет собой совокупность перехода, обладающего вентильным (или, говорят, выпрямляющим) свойством, а также двух невыпрямляющих (омических) контактов (рис.6). Основное свойство диода — односторонняя проводимость — определяется наличием в нем одного электронно-дырочного перехода. Невыпрямляющие контакты металл-полупроводник необходимы из конструктивных соображений. Они обеспечивают подведение тока к p-n переходу диода. Электроды, подходящие к соответствующим областям полупроводника через невыпрямляющие контакты, называют анодом и катодом.

Реальный полупроводниковый диод имеет несимметричный p-n переход, существенно различающийся концентрацией носителей в p- и n-областях. При включении реального диода в прямом направлении преобладающее значение в формировании протекающего тока играет процесс переноса основных носителей эмиттера в базу, в которой они становятся неосновными. Данный процесс называется инжекцией. Характеристики диода, включенного в прямом направлении, определяются его эмиттером.

Обратный ток через диод определяется движением неосновных носителей базы в прилегающий к ней эмиттер. Характеристики диода в обратном включении определяются его базой.

Условно-графическое обозначение (УГО) диода показано на рис.6.

6. Вольт-амперная характеристика реального p-n перехода. Пробой

При прямом включении реального диода его ВАХ несколько отличается от рассмотренной ВАХ идеального p-n перехода, аналитически описываемой уравнением (0). В реальном диоде наблюдается падение напряжения в слоях полупроводника (особенно в области базы, отличающейся низкой концентрацией примеси) и на омических контактах. Это приводит к тому, что реально напряжение на диоде при заданном токе получается несколько больше (на доли вольта) напряжения, получаемого из (0).

Рис. 7

ВАХ включенного в обратном направлении диода существенно отличается от ВАХ идеального p-n перехода. Обратный ток через диод превышает обратный ток через идеальный p-n переход. Основной составляющей обратного тока является дрейфовый ток, практически полностью определяющийся термогенерацией носителей заряда. При рассмотрении идеального p-n перехода предполагалось, что процесс генерации носителей заряда полностью уравновешен их рекомбинацией. Однако в обедненном слое имеет место уменьшение концентрации основных носителей, а также происходит удаление появившихся при генерации основных носителей заряда из зоны p-n перехода его внутренним электрическим полем, что препятствует рекомбинации. Поэтому процесс генерации не компенсируется процессом рекомбинации. Наличие нескомпенсированных неосновных носителей заряда определяет больший обратный ток через p-n переход, чем определенный по формуле (0), которая данный эффект не учитывает.

Кроме того, на обратный ток реального диода влияют поверхностные утечки, возникающие в молекулярных и ионных пленках, шунтирующих p-n переход.

На обратной ветви ВАХ диода выделяют участок пробоя, отсутствующий на ВАХ идеального p-n перехода (рис. 7).

Пробоем называется резкое изменение режима работы реального p-n перехода, находящегося под обратным напряжением. Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода , определяемого следующим выражением: .

После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения вызывает значительное увеличение обратного тока. В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном, или даже уменьшающемся обратном напряжении. В последнем случае дифференциальное сопротивление перехода становится отрицательным.

Природа пробоя может быть различной. Он может быть электрическим, при котором p-n переход не разрушается, и тепловым, ведущим к разрушению кристаллической решетки полупроводника. Электрический пробой связан со значительным увеличением напряженности электрического поля в p-n переходе. Различают два типа электрического пробоя: туннельный (эффект Зенера) и лавинный. Туннельный пробой характерен для полупроводников с узким p-n переходом, т. е. для полупроводников с большой концентрацией примесей. Туннельный эффект, вызывающий одноименный пробой, состоит в том, что под действием сильного электрического поля носители заряда способны просачиваться (туннелировать) через границу p-n перехода без потери энергии благодаря своим квантово-механическим свойствам. Напряжение туннельного пробоя не превышает, обычно, нескольких десятков вольт. С увеличением температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается.

Лавинный пробой — это пробой, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Его механизм состоит в том, что в сильном электрическом поле носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомами кристаллической решетки полупроводника выбить из ковалентных связей электроны, т. е. возникает ударная ионизация. Образовавшаяся при этом пара «электрон-дырка» тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока. Лавинообразный пробой характеризуется напряжением пробоя в десятки и сотни вольт.

Тепловой пробой возникает тогда, когда мощность, выделяемая на p-n переходе при прохождении через него обратного тока, превышает мощность, которую может рассеять p-n переход. В результате происходит разогрев перехода, вызывающий дальнейшее увеличение обратного тока. Тепловой пробой может приводить к разрушению кристаллической структуры полупроводника.