Вольт-амперная характеристика p - n -перехода. Вольт-амперной ха­рактеристикой p-n перехода называется зависимость тока, протека­ющего через p-n переход, от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитическое выражение ВАХ p-n перехода имеет вид:

, (1.9)

где I_обр — обратный ток насыщения p-n перехода; U - напряжение, приложенное к p-n переходу.

Характеристика, построенная с использованием этого выраже­ния, имеет два характерных участка (рис. 1.6): 1— соответствую­щий прямому управляющему напряжению U_np, 2 — соответствую­щий обратному напряжению U_обр.

При больших обратных напряжениях наблюдается пробой p-n перехода, при котором обратный ток резко увеличивается. Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).

Прямое включение p - n -перехода. Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение U_пр в противофазе с контактной разностью потенциалов, называется прямым.Прямое включение p-n перехода показано на рис. 1.7, а. Практи­чески все внешнее напряжение прикладывается к запирающему слою, поскольку его сопротивление значительно больше сопротив­ления остальной части полупроводника. Как видно из потенциаль­ной диаграммы (рис. 1.7, б), высота потенциального барьера уменьшается: U_б = U_к - U_пp. Ширина p-n перехода также умень­шается (h' <h). Дрейфовый ток уменьшается, диффузионный ток резко возрастает. Динамическое равновесие нарушается и через p-n переход протекает прямой ток:

Рисунок 1.7.

. (1.10.)

Как видно из формулы (16.10), при увеличении прямого напряжения ток может возрасти до больших значений, так как он обусловлен движением основных носителей, концентрация кото­рых в обеих областях полупроводника велика.

При прямом включении дрейфовая составляющая тока пре­небрежимо мала по сравнению с диффузионной. Это объясняется низкой концентрацией неосновных носителей заряда и уменьше­нием результирующей напряженности электрического поля, обу­словливающих дрейфовый ток.

Процесс введения основных носителей заряда через p-n переход с пониженной высотой потенциального барьера в область полу­проводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией. Инжектированные носители диффундируют вглубь полупроводника, рекомбинируя с основными носителями этой области. Дырки, проникшие из p-области в n-область, рекомбинируют с электронами, поэтому диффузионный дырочный ток I_рпостепенно спадает в n-области до нуля.

Поступающие от внешнего источника в n-область электроны продвигаются к p-n переходу, создавая электронный ток I_n. По мере приближения к переходу, вследствие рекомбинации электро­нов с дырками, этот ток спадает до нуля. Суммарный же ток в n-области I_диф = I_p + I_n во всех точках полупроводника n-типа остается неизменным. Одновременно с инжекцией дырок в n-область происходит инжекция электронов в p-область. Проте­кающие при этом процессы аналогичны описанным выше.

Обратное включение p - n -перехода. Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение U_обр в фазе с контактной разностью потенциалов, называется обратным. Этот случай иллюстрирует рис. 1.8, а.

Под действием электрического поля, создаваемого внешним источником U_обр, основные носители оттягиваются от приконтактных слоев вглубь полупроводника. Как видно из рис. 1.8, б, это приводит к расширению p-n перехода (h' > h). Потенциальный барьер возрастает и становится равным U_б = U_к +U_обр. Число основных носителей, способных преодолеть действие результирую­щего поля, уменьшается. Это приводит к уменьшению диффузион­ного тока, который может быть определен по формуле

Рисунок 1.8.

. (1.11)

Для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области) потенциальный барьер в электронно-дырочном пере­ходе отсутствует. Неосновные носители втягиваются полем в переход и быстро преодолевают его. Это явление называется экстракцией.

При обратном включении преобладающую роль играет дрей­фовый ток. Он имеет небольшую величину, так как создается движением неосновных носителей. Этот ток называется обратным и может быть определен по формуле I_обр = I_др — I_диф. Величина обратного тока практически не зависит от напряжения U_обр. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон — дырка» при неизменной температуре остается неизменным. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей заряда, обратный токp-n перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это определяет выпрямительные свойства p-n перехода: способность пропускать ток только в одном направлении.

Для получения хороших выпрямительных свойств желательно уменьшить обратный ток, что достигается очисткой исходного полупроводникового материала с целью снижения концентрации неосновных носителей заряда. Высокая степень чистоты полупро­водниковых материалов обеспечивается специальной дорогостоя­щей технологией.

Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и под действием ударной ионизации атомов. Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводни­ках аналогична электростатической эмиссии электронов из метал­ла. Под действием сильного электрического поля часть электронов освобождается из ковалентных связей и получает энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера p-n перехода. Двигаясь с большой скоростью, электроны сталки­ваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки. Они, в свою очередь, разгоняются полем и создают дополнительные носители тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через p-n переход. Электрическому пробою соот­ветствует участок 3 на рис. 1.6. Если чрезмерно увеличивать обратное напряжение (до значений, превышающих максимально допустимое напряжение U_{o6p max}, указанное на рис. 1.6), то произойдет тепловой пробой p-n перехода, и он потеряет свойство односторонней проводимости. Обратная ветвь характеристики при тепловом пробое имеет вид участка 4.

Тепловой пробой p-n перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар «электрон — дырка» приводит к увеличению концентрации не­основных носителей заряда и росту обратного тока. Увеличение тока сопровождается дальнейшим повышением температуры. Процесс нарастает лавинообразно, происходит изменение струк­туры кристалла, и переход необратимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяемая на переходе, невелика, то пробой обратим.

Анализ ВАХ p-n перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого R_д изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряже­ния. Нелинейные свойства p-n перехода лежат в основе работы полупроводниковых диодов, транзисторов и других приборов.

Рисунок 1.9 Рисунок 1.10

На рис. 1.9 приведена модель реального p-n перехода. Здесь помимо управляемого сопротивленияR_д показаны неуправляемые сопротивления контактов R и емкости p-n перехода: барьерная С_б и диффузионная С_диф. Наличие у реальных p-n переходов сопро­тивлений контактов R сказывается на виде ВАХ в области прямых управляющих напряжений: характеристика располагается ниже по сравнению с идеализированным p-n переходом (область 5 на рис. 1.6).

Потенциальный барьер образован неподвижными зарядами: положительными и отрицательными ионами. Емкость, обуслов­ленная этими зарядами, называется барьерной. При изменении запирающего напряжения меняется толщина p-n перехода, а следовательно, и его емкость. Величина барьерной емкости пропорциональна площади p-n перехода, концентрации носителей заряда и диэлектрической проницаемости материала полупровод­ника. При малом обратном напряжении толщина p-n перехода мала, носители зарядов противоположных знаков находятся на небольшом расстоянии друг от друга. При этом собственная емкость p-n перехода велика. В случае увеличения обратного напряжения толщина p-n перехода растет и емкость p-n перехода уменьшается. Таким образом, p-n переход можно использовать как емкость, управляемую обратным напряжением: С_б =q_б/U_обр, где q_б — объемный заряд равновесных носителей.

При прямом напряжении p-n переход, кроме барьерной ем­кости, обладает диффузионной емкостью С_диф. Эта емкость обусловлена накоплением подвижных носителей заряда в n- и p-областях. При прямом напряжении основные носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенци­альный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях.

Каждому значению прямого напряжения соответствует опреде­ленный накопленный неравновесный заряд q_диф:

.

Диффузионная емкость не оказывает существенного влияния на работу p-n перехода, так как она всегда зашунгирована малым прямым сопротивлением R_д. Зависимости емкостей p-n перехода от управляющего напряжения имеют вид, изображенный на рис. 1.10.