ЭДП при обратном напряжении

Рис.2.3. ЭДП при обратном напряжении.

Область на границе двух ПП с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или p-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства ППП основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Под действием обратного напряжения U_обр через переход протекает очень небольшой обратный ток i_обр,

что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна U_к+U_обр. Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т.е. i_диф=0, т.к. собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на p-n переход из n- и р- областей. Выведение неосновных носителей через p-n переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей заряда. Т.о. обратный ток i_обр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается не очень большим, т.к. неосновных носителей очень мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Т.к. при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становиться сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев в глубь n- и p- областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (d_обр> d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т.е. R_обр> > R_пр. Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становиться практически постоянным.

4) П/п диоды. Типы, назначение, характеристики

Полупроводниковый диод, по существу, представляет собой электронно-дырочный переход. ВАХ диода достаточно точно соответствует выражению:

I = I₀( -1),

где I₀ - ток насыщения, q = 1, 6·10^-19 Кл - заряд электрона, Т - абсолютная температура, U - внешне приложенное напряжение, к = 1, 38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Рис.4.1. Вольтамперная характеристика диода.

При комнатной температуре величина U_т=кТ/q=25 мВ (представляет собой термодинамический потенциал и зависит только от температуры), следовательно, при отрицательном (т.е. обратном) приложенном напряжении от десятых долей вольта и выше слагаемым е^{(-U / 0.025)} можно пренебречь по сравнению с единицей и ток оказывается равным I = I₀ не зависящим от напряжения. При положительном (т.е. прямом) приложенном напряжении в десятые доли вольта и выше можно пренебречь единицей по сравнению со слагаемым e^{(U / 0.025)} и, следовательно, ВАХ оказывается близкой к экспоненте.

ВАХ реального диода совпадает с кривой, соответствующей выражению до значений обратного напряжения, близких к U_обр.max. При дальнейшем увеличении U_обр наступает пробой диода, при котором обратный ток резко возрастает.

Различают два вида пробоя:

а) электрический (обратимый); б)тепловой (не обратимый), выводящий ППП из строя. Электрический пробой может быть двух видов: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для р-n переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. (U_обр=(10…100) В).

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью 10⁵ В/см, действующем в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей (U_пр=1В).

При обратном напряжении p-n переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p- и n- области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от носителей заряда). Эту емкость называют барьерной, ее значение зависит от площади p-n перехода и может составлять от единиц до сотен пФ.

При прямом напряжении емкость p-n перехода определяется так называемой диффузионной емкостью, обусловленной неосновными носителями, которые диффундируют через пониженный потенциальный барьер и накапливаются, не успевая рекомбинировать. Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением диода.