Вольт-амперная характеристика(вах)

p -n перехода

Статическое сопротивление p-n перехода в рабочей точке (А) определяется как отношение напряжения в этой точке к току, соответствующему этому напряжению или равно ctgα – угла образованного прямой, проходящей через начало координат и рабочую точку(А) и осью абсцисс(Х).

Дифференциальное сопротивление p-n перехода в рабочей точке(А) определяется как отношение приращения напряжения в этой точке к приращению тока, соответствующего этому приращению напряжения

или равно ctgβ – угла образованного касательной к этой точке и осью абсцисс.

Реальная ветвь(прямая) ВАХ перехода отклоняется от идеальной ВАХ в основном за счёт падения напряжения на сопротивлении базы(r_Б), с учётом этого уравнение перехода может быть определено:

Прологарифмировав это выражение можно определить падение напряжения на переходе при прямом включении.

Заменив E_вн на U_пр, получим:

Для малых токов I_пр имеем:

Статическое и дифференциальное сопротивление для обратной ветви ВАХ рассчитывается аналогично прямой ветви ВАХ

R_ст.пр ≪ R_ст.обр. ;

R_диф.пр ≪ R_{диф.обр.}; при U_пр.= |U_обр.|>U, |U_обр.|<U_проб.

Пробой p-n перехода

Несмотря на то, что в определённых пределах отсутствует зависимость величины обратного тока p-n перехода от величины приложенного обратного напряжения, может наступить момент, когда эта зависимость начнёт проявляться.

Из уравнения Шокли следует, что при увеличении обратного напряжения на p-n переходе I_обр стремится к I₀. Использовать эту формулу при больших значениях обратного напряжения нецелесообразно, так как она перестаёт соответствовать явлениям, происходящим в реальных p-n переходах. На практика I_обр незначительно возрастает, пока напряжение на переходе не достигнет некоторого критического значения, называемого напряжением пробоя(U_прб). После этого I_обр возрастает скачкообразно, как это показано на графике:

Таким образом, под пробоем p-n перехода понимают явление значительного уменьшения дифференциального сопротивления R_диф ( и R_ст – тоже) и увеличение I_обр при увеличении обратного напряжения U_обр.

Различают три вида пробоя:

1. – тепловой;

2. – лавинный;

3. – туннельный.

На практике встречаются и смешанные случаи, т.к. один вид пробоя может наступить как следствие другого вида пробоя.

Тепловой пробой, как явление, в основном носит необратимый характер и приводит к разрушению p-n перехода.

Лавинный и туннельный виды пробоя являются электрическим или полевым видом пробоя, который обеспечивает обратимость при ограничении мощности на p-n переходе (p-n переход не разрушается).

Вольт-амперная характеристика видов пробоя

1 – тепловой пробой;

2 – лавинный пробой;

3 – туннельный пробой.

Тепловой пробой(1) вызван тем, что обратный ток I_обр= – I₀ зависит от температуры и возникает в результате разогрева p-n перехода, когда количество теплоты, выделяемой в p-n переходе, становится больше, чем он может отвести(рассеять), т.е. когда U_обр→U_прб;

P_тепл.1= U_прб.1•I _прб.1>Р_доп. – начинается разогрев перехода.

При разогреве p-n перехода происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и увеличение обратного тока через переход. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению температуры и обратного тока. В результате ток через переход нарастает лавинообразно и наступает разрушение p-n перехода.

Разрушение p-n перехода при U_прб1(кривая1) завершается в итоге с равной вероятностью: или обрывом между омическими выводами перехода(1'); или коротким замыканием между этими выводами (сварка выводов) (1'').

Лавинный пробой(2) вызывается ударной ионизацией, которая происходит при достаточно высокой напряжённости электрического поля (для Si – 3•10⁷В/м).

Неосновные носители заряда, проходя через p-n переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне p-n перехода ионизируют их. При этом происходит разрыв ковалентных связей и генерация электронно-дырочных пар. Вновь появившиеся пары носителей заряда ускоряются электрическим полем и, в свою очередь, могут порождать новые пары на протяжении всего пути в данной области. Такой процесс обладает кумулятивными свойствами и приводит к лавинообразному размножению зарядов, за счёт чего при U_прб2 происходит аномальный рост обратного тока при небольшом приращении обратного напряжения.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках (слаболегированных), имеющих достаточно большую ширину p-n перехода.

Напряжение лавинного пробоя растёт с увеличением температуры из-за сокращения длины свободного пробега носителей заряда (повышение температуры уменьшает лавинное размножение носителей заряда).

Рост обратного тока I_обр определяется по эмпирической формуле:

;

где ∝ - величина, определяемая экспериментально и зависящая от степени легирования p- и n- областей.

При U_обр = U_прб ток I_обр обращается в бесконечность, поэтому на практике необходимо его ограничивать сопротивлением внешних цепей. При |U_прб| > 8В p-n переходы имеют преимущественно лавинный пробой.

Тунельный пробой (Эффект Зенера) возможен в так называемых вырожденных полупроводниках или полуметаллах, когда концентрация основных носителей достигает 10²¹/см³.

В таких полупроводниках уровень Ферми располагается в зоне проводимости или валентной зоне, а ширина p-n перехода достаточно мала.

В этих условиях возможно “просачивание” электронов через потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. Напряжённость электрического поля внутри перехода оказывается весьма высокой (больше 10⁷В/м), поэтому электроны, в силу своих квантовомеханических свойств, приобретают способность туннелировать через потенциальный барьер без затраты энергии. Напряжение туннельного пробоя снижается с повышением температуры, т.к. рост температуры уменьшает ширину запрещённой зоны. При |U_прб| < 5В p-n переходы имеют туннельный пробой. При 5В < |U_прб| < 8В p-n переходы имеют смешанный пробой.