 |  |
Под вольтамперной характеристикой (ВАХ) p-n перехода понимается зависимость тока p-n перехода от значения приложенного к нему напряжения - I=f(U).
При определении данной зависимости необходимо воспользоваться соотношениями и функциями, которые были получены при пояснении математической и физической моделей p-n перехода.
Плотность тока диффузии на границе p-n перехода определяется соотношениями
;
.
Ток через p-n переход состоит из электронной и дырочной составляющих токов:
I=In+Ip,
где In - электронная составляющая тока p-n перехода; Ip – дырочная составляющая тока p-n перехода. In и Ip на границе p-n перехода можно определить:
,
,
где S - площадь p-n перехода; Dn, Dp - коэффициенты диффузии электронов в p-области и дырок в n-области.
Если подставить в выражение для In и Ip избыточные концентрации электронов Dnp(0) на границе p-области и дырок Dpn(0) на границе n-области, исходя из соответствующих граничных условий для модели идеального p-n перехода, то в целом ток через p-n переход опишется вольтамперной характеристикой идеального перехода в виде
,
где Io - тепловой ток, который оценивается из соотношения
.
Здесь учтено, что nno»NД и ppo»Nа.
В приведенных соотношениях обозначено: U - напряжение на p-n переходе, оно задается как в прямом смещении, так и при обратном включении p-n перехода; tn,tp - время жизни электронов в p-области и дырок в n-области; jT=kT/e -температурный потенциал.
По существу, Io представляет собой дрейфовую составляющую тока p-n перехода, которая образуется при движении неосновных носителей заряда через p-n переход в его ускоряющем электрическом поле. Произведение теплового тока на экспоненциальный сомножитель представляет диффузионную составляющую тока через p-n переход.
Теоретическая ВАХ p-n перехода представлена графиком на рис.14.
При малых прямых напряжениях прямой ток определяется величиной, близкой к тепловому току, но уже при Uпр»2,3×jТ (приблизительно 60 мВ при T = 300 К) I >10×Iо. При подаче обратного напряжения диффузионная составляющая тока резко уменьшается и при çUобрç=(2¸3)×jТ Iо×exp[Uобр/jТ]»0, а величина обратного тока определяется значением теплового тока I=-Iо, далее обратный ток не зависит от величины Uобр. Поэтому ток Iо называют током насыщения или тепловым током и упрощенно его определяют, исходя из следующих соотношений
,
,
где B - коэффициент, зависящий от материала полупроводника; S - площадь p-n перехода.
 |
Рис.14
Положение ВАХ идеального p-n перехода зависит от температуры окружающей среды и степени легирования областей p-n перехода. Влияние температуры на ВАХ показано на рис.15.
|
 |
Рис.15
Ток Iо с увеличением температуры растет экспоненциально, так как экспоненциально возрастает концентрация неосновных носителей заряда pn в области полупроводника n-типа, а именно pn в основном и определяет величину Iо: pn=ni2/nn»const×exp[-DWз/(kT)]. На практике влияние температуры на ток Iо оценивают приближенно: ток насыщения увеличивается в два раза при возрастании температуры на каждые 10°С.
Прямая ветвь ВАХ p-n перехода с ростом температуры смещается влево. Это обусловлено тем, что при увеличении температуры, во-первых, возрастает тепловая энергия основных носителей заряда и растет число носителей заряда, энергия которых больше высоты энергетического (потенциального) барьера p-n перехода, во-вторых, снижается высота потенциального барьера и большее число основных носителей заряда создают прямой ток. Рост прямого тока при увеличении температуры в уравнении ВАХ определяется в основном возрастанием тока Iо.
Влияние концентрации примесей областей p-n перехода на ВАХ можно пояснить на основании закона действующих масс для каждой области p-n перехода. Так, для полупроводника p-типа имеем
,
а для полупроводника n-типа:
.
Известно, что ток Iо зависит от концентрации примесей:
.
Отсюда следует, что с ростом Nа и Nд происходит уменьшение тока Iо.
3. Вольтамперная характеристика реального
p-n перехода
