Вольт-амперная характеристика перехода. Выпрямляющий и омический контакты

 

Зависимость тока через переход от величины приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

I_ПР, mA

 

 

I_ДИФ=I_ОНЗ

 

I_О

U_{ОБР, В} 0 U_ПР, В

1В

 

I_ДР=I_ННЗ

 

I_ОБР, мкА

 

Прямая и обратная ветви ВАХ изображены в разных масштабах. При прямом включении перехода его сопротивление мало, поэтому ток через переход резко возрастает по экспоненте с ростом прямого напряжения. При обратном включении перехода его сопротивление велико, поэтому ток через переход будет мал и равен тепловому .

Прямое напряжение, подаваемое на переход, не должно превышать 1В!

Обратное напряжение, подаваемое на переход, может достигать 20В.

Вывод: p-n переход обладает односторонней проводимостью, т.е. проводит ток только в одном направлении – прямом.

Контакт с односторонней проводимостью называется выпрямляющимконтактом. Таким образом, p-n переход является выпрямляющим контактом.

Кроме выпрямляющих контактов существуют контакты металл-полупроводник (Ме-п/п), называемые омическими, т.к. ток, протекающий через такой контакт подчиняется закону Ома (). Получают омические контакты путем напыления тонкой пленки металла на полупроводник. Характерная особенность омических контактов – пропускание тока в обоих направлениях (и прямом, и обратном). Омические контакты широко распространены в электронной технике, т.к. используются для присоединения внешних выводов к кристаллам полупроводников.

 

омический p n омический

контакт контакт

 

U_ПИТ

 

Емкости p-n перехода

Барьерная емкость

p n

 

 

d_o

d_o – толщина перехода

В p-n переходе имеется разность концентраций: в p-области много дырок, а в n-области их мало, в n-области много электронов, а в р-области их мало. Наличие разности концентраций приводит к диффузии: дырки из р-области переходят в n-область, в обратном направлении движутся электроны. В результате диффузии в р-области появляются избыточные (не скомпенсированные) отрицательные ионы примеси, и она заряжается отрицательно. В n-области появляются избыточные положительные ионы примеси, и она заряжается положительно. Возникает разность потенциалов – потенциальный барьер.

Данный переход можно рассматривать, как плоский конденсатор, обкладками которого являются p-и n-области, а диэлектриком – приконтактная область,имеющая повышенное сопротивление. Емкость такого конденсатора называется барьерной, т.к. она обусловлена наличием потенциального барьера.

–q +q

 

В равновесном состоянии перехода, т.е. когда Е_ВНЕШН=0, барьерная емкость зависит от площади p-n перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и толщины запирающего слоя:

, где

- относительная и абсолютная диэлектрическая проницаемость.

При подаче обратного напряжения толщина перехода возрастает (обкладки конденсатора как бы раздвигаются), а, следовательно, емкость этого конденсатора уменьшается:

, где

- барьерная емкость перехода при наличии обратного напряжения;

- барьерная емкость перехода при отсутствии внешнего напряжения;

- потенциальный барьер перехода при отсутствии внешнего напряжения;

U_ОБР - обратное напряжение, подаваемое на переход.

 

Диффузионная емкость

При прямом включении перехода возникает еще одна емкость – диффузионная.

Прямое напряжение, подаваемое на переход, обеспечивает более интенсивный процесс диффузии основных носителей заряда в соседние области. Это приводит к тому, что пришедшие в большом количестве в соседние области заряды не успевают прорекомбинировать с зарядами противоположного знака и накапливаются, образуя объемные заряды. Чем больше прямое напряжение, тем больше величина этих объемных зарядов.

p n

 

ОНЗ + +

_ _ Ө ОНЗ + +

_ _

Е_ВН

 

Е_ВНЕШН

UПР

о о

Изменение объемного заряда в зависимости от приложенного прямого напряжения характеризует емкость, называемая диффузионной (т.к. обусловлена диффузией ОНЗ) и определяемая формулой:

или , где

- изменение прямого напряжения;

- изменение объемного заряда.

 

Пробой p-n перехода

Пробой – это резкое возрастание обратного тока перехода при условии, что обратное напряжение превысит максимально допустимое значение, т.е.

 

 

справочная величина

Обратная ветвь ВАХ при пробое:

U_обрmax I_О 0

U_ОБР

1 1- электрический пробой

2 - тепловой пробой

 

 

 

2 I_ОБР

Виды пробоев:

Пробой

 

Обратимый Необратимый

процесс процесс

Электрический пробой

Тепловой пробой

Туннельный пробой

Лавинный пробой

 

 

Тепловой пробой

Тепловой пробой возникает за счет нарушения теплового баланса между теплом, которое выделяется в переходе, и теплом, котороеотводится (рассеивается корпусом прибора):

( количество теплоты)

С ростом обратного напряжения выделяемая в переходе мощность увеличивается , что приводит к разогреву перехода и усилению термогенерации (генерация, вызванная повышением температуры) пар носителей заряда, т.е. к увеличению концентрации ННЗ, а, следовательно, к росту обратного тока. Рост обратного тока сопровождается дальнейшим увеличением выделяемой мощности, т.е. большим разогревом перехода и более интенсивной термогенерацией и т.д., т.е. идет нарастающий процесс:

и т.д.

В итоге переход перегревается и разрушается (разрушается кристаллическая решетка) – процесс необратимый.

Процесс называется обратимым, если при уменьшении обратного напряжения до допустимого значения восстанавливается нормальный режим работы перехода, т.е. обратный ток принимает стационарное значение теплового тока .

Для обеспечения теплового режима полупроводниковых приборов используются радиаторы, изготавливаемые из материалов с высокой теплопроводностью (например, Al, Cu).

 

Электрический пробой

Тепловому пробою предшествует электрический пробой.

При электрическом пробое обратный ток перехода резко возрастает поддействием сильного электрического поля.

А) Лавинный пробой

Лавинный пробой возникает в так называемых «толстых» переходах. Под действием сильного электрического поля электроны, двигаясь с большой скоростью, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов кристаллической решетки.

Механизм ударной ионизации: свободный электрон, обладающий большой кинетической энергией, ударяясь о нейтральный атом, передает валентным электронам этого атома часть своей энергии, и они отрываются от атома, становясь свободными. Атом при этом ионизируется.

Возникшие в результате ионизации свободные электроны также разгоняются электрическим полем, ударяются о новые атомы кристаллической решетки и выбивают из них следующую партию электронов. Процесс нарастает лавинообразно (как снежный ком) – отсюда и название пробоя – «лавинный».

Для ударной ионизации необходимо поле с напряженностью:

В результате ударной ионизации возникает размножение НЗ, и обратный ток резко возрастает – возникает лавинный пробой.

На лавинном пробое работают такие полупроводниковые приборы, как стабилитроны, тиристоры, лавинные транзисторы и др.

 

Б) Туннельный пробой

Если напряженность электрического поля достигнет значения и переход будет очень тонкий (с толщиной запирающего слоя ), возможен туннельный пробой – переход электронов из валентной зоны (ВЗ) одного полупроводника в зону проводимости (ЗП) другого полупроводника без изменения энергии.

Механизм туннельного пробоя:

Электрон, движущийся в сторону очень узкого перехода, под действием очень сильного поля пройдет через переход, как через туннель, и займет свободный уровень с такой же энергией по другую сторону перехода.

Таким образом, обязательным условием туннельного пробоя, кроме сильного поля и тонкого перехода, является наличие свободного уровня по другую сторону перехода. При этом ВЗ одного полупроводника должна находиться на одном уровне с ЗП другого полупроводника.

На туннельном пробое работают туннельные диоды.

Туннельный и лавинный пробои обратимы – снятие обратного напряжения полностью восстанавливает свойства p-n перехода.