Тема 5. Загальні відомості про принципи роботи і характеристики напівпровідникових приладів

1.4. Вольт-амперна характеристика р-n-переходу

 Основну властивість р–n-переходу можна сформулювати так: якщо до переходу прикладена пряма напруга, то р–n-перехід відкритий і пропускає струм, а якщо зворотна напруга, то р–n-перехід закритий і струм майже не пропускає. Залежність повного струму через р-n перехід від зовнішньої напруги називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ) електронно-діркового переходу.

Аналітичний вираз для визначення величини струму через ідеальний р–n-перехід називають рівнянням Еберса-Молла:

(1.8)

де Io – тепловий струм р–n-переходу, U – зовнішня напруга, що прикладена до р–n-переходу, e – основа натуральних логарифмів, фТ – тепловий потенціал.

Графічне зображення вольт-амперної характеристики, тобто залежності (1.8), наведене на рис. 1.10. Графічне зображення ВАХ ідеального електронно-діркового переходу має дві чітко визначені ділянки – I і II. При прямих напругах опір р–n-переходу незначний, а струм великий (ділянка I на ВАХ рис. 1.10). Характеристика для прямого струму спочатку має значну нелінійність: зі збільшенням напруги опір запірного шару зменшується. При напрузі у десяті частки вольта запірний шар практично зникає і струм обмежується тільки опорами n- і р-областей, які можна вважати незмінними. Внаслідок цього характеристика стає майже лінійною, а незначна нелінійність пояснюється нагріванням n- і р-областей при збільшенні прямого струму, що веде до зменшення їхнього опору.

При зворотних напругах опір р–n-переходу набагато більший, і зворотний струм  на декілька порядків менший за прямий (ділянка II на ВАХ рис. 1.10). Зворотну вітку ВАХ діода часто рисують в іншому масштабі із заломом у початку координат. Зворотний струм при збільшенні зворотної напруги потроху збільшується. Це пояснюється зменшенням дифузійної складової струму через збільшення потенціального бар’єру, який спрямований зустрічно до дрейфової складової струму.

Отже, р–n-перехід має односторонню провідність, або, як кажуть, вентильну властивість.

Рис. 1.10. Вольт-амперна характеристика ідеального р–n-переходу

При прямих напругах, що перевищують десяту частину вольта , можна знехтувати одиницею у виразі (1.8). Наприклад, якщо , то при кімнатній температурі

.

При зворотних напругах можна знехтувати доданком , з огляду на те, що для робочого діапазону зворотних струмів . Наприклад, якщо , то

.

Отже, для практичних якісних розрахунків приймають:

Прямий і зворотний струми через р–n-перехід залежать від температури (рис. 1.9). Це зрозуміло, бо кількість як основних, так і неосновних носіїв заряду у напівпровідниках збільшується зі збільшенням температури, отже, зростають як прямий, так і зворотний струми. Підвищення температури веде до зміщення ділянки I ВАХ р–n-переходу догори, а ділянки II – вниз.

Прямий струм при нагріванні р–n-переходу зростає не так швидко, як зворотний. Це пояснюється тим, що прямий струм виникає, головним чином, завдяки домішковій провідності, а концентрація домішки не залежить від температури. Сильно збільшується зворотний струм через посилену термогенерацію пар носіїв. Кількість носіїв зарядів збільшується вдвічі зі збільшенням температури германію на  і кремнію на , отже, за таким же законом змінюється зворотний струм, що можна аналітично виразити формулою (1.11):

(1.11)

де To=20^oC – кімнатна температура, T* – температура подвоєння зворотного струму на кожні 10^oC(T*=10^oC для германієвих р–n-переходів, 8^oC – для кремнієвих).

Отже, якщо температура р–n-переходу із германію збільшилася з  до , то зворотний струм збільшився у  рази.

При аналізі реальних процесів в електронно-дірковому переході потрібно використовувати вольт-амперну характеристику (рис. 1.11), яка дещо різняться від ідеальної (рис. 1.10), в першу чергу, зростанням зворотного струму зі збільшенням модуля зворотної напруги (ділянка II) і наявністю ділянок III і IV.

 

Рис. 1.11. Вольт-амперна характеристика реального р–n-переходу

Об’ємний опір бази структури з р–n-переходрм при великих рівнях інжекції зростає внаслідок значного збільшення кількості неосновних носіїв у базі. Тому, при прямому увімкненні р–n-переходу у формулі Еберса-Молла (1.8) слід враховувати опір базової області RБ й омічних контактів з виводами Rв:

(1.12)

Основний напівпровідниковий матеріал структури визначає порогове значення прямої напруги Uпор, незначне перебільшення якої веде до значного зростання прямого струму через діод. Пряма напруга Uпор на відкритих кремнієвих діодах становить близько 0,.5…0,7 (В) і не перевищує 1,5 (В); значення Uпор для германієвих діодів 0,2…0,3 (В ) і не перевищує 0,5 (В).

Якщо у ідеального діода зворотний струм слабо залежить від зворотної напруги, то у реального діода зворотний струм зростає зі збільшенням зворотної напруги через наявність струму генерації Іген і струму витоку Івит:

(1.13)

Реальний р–n-перехід не є нескінченно вузьким, тому в запірному шарі відбувається генерація пар електрон-дірка. Генеровані заряди розділяються електричним полем p-n–переходу і створюють струм генерації Іген. Кількість генерованих пар збільшується з розширенням переходу при збільшенні зворотної напруги. Отже, збільшується значення й струму генерації. Довжина реального p-n–переходу також не нескінченна. Поверхня напівпровідникового кристала характеризується порушеннями кристалічної ґратки і різними забрудненнями, які обумовлюють рекомбінаційно-генераційні процеси на поверхні p-n–переходу, тобто виникнення додаткового струму витоку Івит. Відносні частки струмів генерації Іген і витоку Івит у зворотних струмах діодів залежать від типу напівпровідникового матеріалу.

Коли зворотна напруга набуває певного значення Uпроб, яке має назву напруги пробою, зворотний струм різко зростає (ділянка III на ВАХ реального р–n-переходу) – відбувається електричний пробій р–n-переходу. При  електрони, що потрапили в зону переходу, набувають швидкість, достатню для йонізації атомів кристала в запірному шарі. Отримані внаслідок первинної йонізації електрони на своєму шляху в переході йонізують нові атоми, що призводить до розвитку лавини рухомих носіїв заряду. Отже, відбувається лавиноподібне зростання кількості додаткових пар зарядів, тому різко зростає зворотний струм за умови практично незмінного значення зворотної напруги. Таке явище лавинного електричного пробоюспостерігається у широких переходах (ширина р–n-переходу більша за шлях, який проходить електрон за час життя) при напруженості поля, більшої за . Електричний пробій не руйнує р–n-перехід за умови обмежених значень струму, і зменшення зворотної напруги відновлює робочі процеси в р–n-переході. Зі збільшенням температури у германієвих переходах напруга електричного пробою зменшується, у кремнієвих переходах – напруга електричного пробою спочатку дещо збільшується, а потім зменшується.

В режимі електричного пробою працюють деякі напівпровідникові прилади, наприклад, стабілітрони [див. Лекцію № 2, § 2.2.3].

Оскільки в р–n-переході під час проходження зворотного струму виділяється тепло, у разі недостатнього тепловідводу починає підвищуватися температура кристала. При необмеженому зростанні струму під час тривалого ввімкнення р–n-переходу на напругу  струм збільшується настільки, що внаслідок неприпустимого нагрівання р–n-перехід руйнується. Це явище називають тепловим пробоєм (ділянка IV на ВАХ рис. 1.11). Тепловий пробій – процес незворотний, бо він неминуче веде до руйнування матеріалу напівпровідника. Тепловий пробій означає аварійний режим, який виводить з ладу напівпровідникові прилади. Тепловий пробій може настати і при прямому увімкненні р–n-переходу у разі значного підвищення температури напівпровідника. Перехід із германію руйнується при , із кремнію – при , незалежно чи перехід нагрівся струмом, що проходить крізь нього, чи зовнішнім джерелом тепла.

Зауваження.

1.    У вузьких переходах спостерігаються тунельний (зенеровський) електричний пробій [див. Лекцію № 2, § 2.2.5]: прямі переходи валентних електронів на вільні енергетичні рівні крізь потенціальний бар’єр за умови великої напруженості електричного поля (більшої за . Утворені в такий спосіб додаткові електрони і дірки збільшують струм через р–n-перехід. При тунельному пробої напруга на переході незначна, менша за 0,5 (В). Тунельні пробої є оборотними.

2.    На практиці доводиться мати справу з поверхневими пробоями, зумовленими поверхневими забрудненнями р–n-переходу.