ВАХ реального р-n-перехода

Идеализированная ВАХ (формула Шокли (2.20)) учитывает инжекцию и экстракцию не основных носителей, и их диффузию в областях, прилежащих к р—n-переходу.

Формула (2.20) удовлетворительно описывает ВАХ германиевых р—n переходов при низких плотностях тока. Для р— n-переходов в кремнии и арсениде галлия эта формула дает лишь качественное описание реальных характеристик.

В реальных р—n переходах существенную роль могут играть такие процессы, как рекомбинация и генерация носителей в области р—n перехода, сопротивление базы, ток утечки по поверхности, туннелирование носителей между энергетическими состояниями в запрещенной зоне, высокий уровень инжекции и пробой перехода. Оценим влияние каждого из перечисленных факторов на ВАХ.

Генерационный ток при обратном смещении. Плотность тока, обусловленного термогенерацией носителей в обедненной области (генерационный ток), может быть оценена следующей формулой.

где 1₀ — ширина перехода, — эффективное время жизни носителей в обедненном слое, которое определяется временем жизни электронов (т") и дырок (т_р).

Если т_эф мало изменяется с температурой, то генерационный ток будет иметь примерно ту же зависимость, что и п_г При фиксированной температуре плотность тока у_гсн пропорциональна величине /₀, которая зависит от приложенного обратного напряжения.

В общем случае полный обратный ток при.

можно приближенно представить суммой диффузионного тока в нейтральной области и генерационного тока в обедненной области.

В таких полупроводниках, как германий, у которого ширина запрещенной зоны Д2?₃ «0,7 эВ и концентрация собственных носителей при комнатной температуре равна п₁ «10^|3см^_3, будет преобладать диффузионный ток, и обратный ток может быть вычислен по формуле Шокли. Если же величина п₁ мала.

(кремний: п₁ ~ Ю¹⁰ см^-3, арсенид галлия: п_{ «10⁶ см^-3 при комнатной температуре), то генерационный ток /_ген будет преобладать над диффузионным.

Ток рекомбинации при прямом смещении. Рекомбинационный

ток добавляется к диффузионному инжекционному току и в этом случае, как и при обратном смещении, рекомбинационный ток пропорционален п_г Экспериментальные исследования показывают, что в общем случае плотность тока при прямом смещении можно описать следующим выражением:

где а = 2, если преобладает рекомбинационный ток, а = 1, если преобладает ток инжекции. Если оба тока сравнимы, то 1 < а < 2.

Влияние сопротивления базы. В реальных р—л-переходах сопротивление базы г_б составляет значения от единиц до сотен Ом. Наличие сопротивление базы приводит к тому, что внешнее напряжение от источника питания распределяется между р—л-переходом и базовой областью. Поскольку в формуле Шокли (2.20) в показателе экспоненты стоит напряжение на переходе, то при наличии сопротивления г_б вместо и надо подставить в показатель величину и — 1г_б> и тогда формула Шокли примет следующий вид:

Из последней формулы видно, что при малых прямых токах падение напряжения на базе /г_б можно не учитывать. При увеличении тока падение напряжения на базе может превысить напряжение на переходе и на ВАХ появляется участок, близкий к линейному, крутизна ВАХ будет меньше и прямое напряжение для данного тока заметно больше (рис. 2.5, а, кривая 2), чем для идеализированного перехода (см. рис. 2.5, а, кривая /). (Кривая 3 на рис. 2.5 соответствует некоторому промежуточному сопротивлению г_б.).

Для кремниевых переходов при и < 0,5 В ток очень мал и в линейном масштабе на ВАХ практически равен нулю. Если и > > 0,5 В, ток на ВАХ идеализированного перехода изменится.

Рис. 2.5.

очень резко при малом изменении напряжения (см. рис. 2.5, а). Например, при повышении напряжения от 0,51 на 0,1 В (для кривой 1) ток увеличивается в 50 раз.

При увеличении температуры подвижность свободных носителей в реальных условиях эксплуатации диодов увеличивается, и сопротивление базы заметно возрастает. На рис. 2.5,6 показаны ВАХ кремниевого перехода для разных температур. При повышении температуры ВАХ смещается влево, а ее крутизна уменьшается, так как дифференциальное сопротивление растет.

При высоких уровнях инжекции наблюдается эффект модуляции сопротивления базы, который заключается в уменьшении г_б с ростом тока из-за увеличения концентрации носителей в базе. Особенно сильно этот эффект сказывается при малой толщине базы, когда она меньше диффузионной длины. В этом случае при увеличении тока г_б стремится к нулю.

На поверхности р—л-перехода (полупроводника) из-за наличия загрязнений и влияния поверхностного заряда могут образовываться проводящие пленки и каналы, которые обусловливают появление тока утечки. Ток утечки возрастает при увеличении напряжения и при больших обратных напряжениях может превысить тепловой ток и ток генерации.

Пробой перехода. Пробоем р—п-перехода называют резкое увеличение тока через переход при большом обратном напряжении, создающем в переходе большую напряженность электрического поля. Напряжение, при котором происходит лавинообразное.

Рис. 2.6.

нарастание тока, называется напряжением пробоя С/_проб. Существует три основных механизма пробоя: туннельный, тепловой и лавинное умножение. Первый и третий механизмы обусловлены увеличением напряженности электрического поля в переходе, а второй — увеличением рассеиваемой мощности в переходе и, соответственно, его температуры.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, связанный с переходом электронов через тонкий потенциальный барьер без изменения энергии (рис. 2.6). Толщина барьера при туннельном переходе частиц составляет величину порядка 10 нм. Такие барьеры возможны при контакте между сильнолегированными полупроводниками (Л^_д, N_a> 10¹⁸ см ³). На энергетической диаграмме перехода при обратном смещении (см. рис. 2.6) показан туннельный переход электрона с уровня 1 в валентной зоне р-области на энергетический уровень такой же высоты в зоне проводимости л-области (положение 2). Электрон преодолевает энергетический барьер треугольной формы с максимальной высотой АЕ_я (точки /, 2_у 3). Необходимым условием туннельного перехода электронов является наличие занятых энергетических состояний в валентной зоне р области и свободных состояний с теми же значениями энергии в л-области. На рис. 2.6 такие состояния сосредоточены в интервале энергий АЕ_Туи.

Ширина потенциального барьера (1 меньше толщины обедненного слоя /₀ и уменьшается при увеличении обратного напряжения. При повышении температуры высота барьера АЕ_а уменьшается из-за уменьшения ширины запрещенной зоны и напряжение туннельного пробоя снижается, т. е. температурный коэффициент напряжения туннельного пробоя отрицателен.

Лавинное умножение (или ударная ионизация) связано с размножением носителей под действием сильного электрического поля. Носители, перемещающиеся через р—п переход при подаче большого обратного напряжения, на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар за счет ударной ионизации атомов полупроводника. Рожденные электронно-дырочные пары, ускоряясь полем перехода, также приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов, в результате появляются все новые электронно-дырочные пары, количество которых лавинообразно нарастает.

При большей ширине запрещенной зоны носители должны приобретать большую энергию в электрическом поле для реализации ударной ионизации, таким образом, большим энергиям ДЕ₃ соответствуют и большие значения и _б.

При возрастании температуры ?/_проб увеличивается из-за уменьшения длины свободного пробега носителей, при этом увеличивается и напряженность электрического поля, необходимая для ударной ионизации. Следовательно, температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен. Таким образом, по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя можно отличить туннельный пробой от пробоя ударной ионизации.

Тепловой пробой происходит в результате разогрева р—л перехода под действием обратного тока /_<)б|). Увеличение обратного напряжения вызывает повышение температуры перехода, что, в свою очередь, приводит к возрастанию тока /_об. Количество выделенного переходом тепла, определяющего его температуру, пропорционально произведению 1^_ри_оЬр, Если количество теплоты, выделенной в переходе, превышает количество отводимой от перехода теплоты, то при достаточном напряжении развивается процесс непрерывного нарастания температуры, а следовательно, и тока, т. е. происходит тепловой пробой.

Напряжение теплового пробоя тем ниже, чем больше тепловой обратный ток. Вследствие этого на характеристике возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В р—л-переходах на основе 81 и ваЛя обратные токи весьма малы, и напряжение тепловогопробоя в таких переходах больше напряжения лавинного пробоя. При высоких температурах окружающей среды возможен пробой, сочетающий оба механизма.

В заключение подытожим основные причины, приводящие к различию идеализированных и реальных ВАХ р-п-перехода. При обратном смещении основными физическими процессами, обусловливающими указанные различия, являются: ток термогенерации в обедненном слое, ток утечки и пробой перехода. При прямом напряжении в начальной части характеристики это ток рекомбинации-генерации, а при больших напряжениях — наличие сопротивления базы. Для иллюстрации влияния указанных причин на рис. 2.7 приведены реальные и идеализированные ВАХ кремниевого перехода, где по оси абсцисс отложено напряжение, нормированное на тепловой потенциал, а по оси ординат — относительная плотность тока (/₀ — тепловой ток, соответствующий идеализированному р-п-переходу). На рис. 2.7 участок " а" соответствует преобладанию генерационно-рекомбинационного тока, " б"  — преобладанию диффузионного (инжекционного) тока, участок " в" характеризуется высоким уровнем инжекции, " г"  — влиянием последовательного сопротивления базы, участок " д" объясняется наличием тока термогенерации в обедненной области и обратного тока утечки, участок " е"  — пробой р—п перехода.

Рис. 2.7.