Ступенчатые и плавные р-n переходы

Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и соотношению удельных сопротивлений слоев.

Ступенчатыми переходами (коэффициент плавности перехода m=0.5, в Multisim имеет обозначение М) называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся дырки, а по другую — электроны. Такие переходы наиболее просты для анализа и поэтому все реальные переходы стараются, если возможно, рассматривать как ступенчатые.

Плавными переходами (m=0,333) называют такие, у которых в области металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа — растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству концентраций примесей. Все реальные р – n – переходы — плавные, степень их приближения к ступенчатым зависит от градиента эффективной концентрации в районе металлургической границы.

Симметричные, несимметричные и односторонние р-n переходы

По соотношению концентраций примесей в р – и n – слоях переходы делятся на симметричные, несимметричные и односторонние. Симметричные переходы у которых концентрации примесей примерно одинаковы, не типичны для полупроводниковой техники. Основное распространение имеют несимметричные переходы, у которых концентрации примесей не одинаковы. В случае резкой асимметрии, когда концентрации примесей (а значит, и основных носителей) различаются на один – два порядка и более, переходы называют односторонними.

 

Вольтамперная характеристика р-n перехода

Вольтамперная характеристика р-n-перехода описывается выражением:

(1)

где — ток через переход при напряжении , — тепловой ток (ток насыщения), — температурный потенциал перехода, равный при комнатной температуре 26 мВ.

 

Пробои р-n перехода

Если к переходу подключить обратное напряжение, то при определенном его значении переход пробивается. Это явление называют пробоем. Различают три вида пробоя: туннельньй, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, а третий — с увеличением рассеиваемой мощности и, соответственно, температуры.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. «просачивание» электронов сквозь тонкий потенциальный барьер перехода.

В основе лавинного пробоя лежит «размножение» носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей полупроводника. В результате образуется новая пара электрон-дырка, и процесс повторяется уже с участием новых носите­лей. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный харак­тер, подобно самостоятельному разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением. Явление пробоя находит практическое применение в стабилитронах — приборах, предназначенных для стабилизации напряжения.

В основе теплового пробоя лежит саморазогрев перехода при протекании обрат­ного тока. С ростом температуры обратные токи резко возрастают, соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе: это вызывает дополнительный рост температуры и т.д. Как правило, тепловой пробой может начаться лишь тогда, когда обратный ток уже приобрел достаточно большую величину в результате лавинного или туннельного пробоя.

 

Емкости р-n перехода

Емкость перехода принято разделять на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение носителей в базе. Такое разделение, в общем, условно, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при изменении полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и, соответственно, диффузионная емкость. При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Обе емкости нелинейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная — от обратного напряжения.

 

Светодиод

Светодиод – специально сконструированный диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области перехода сквозь прозрачное окно в корпусе.

При прохождении тока через диод в прилегающих к переходу областях полупроводника происходит интенсивная рекомбинация носителей зарядов – эле­ктронов и дырок. Часть освобождающейся энергии выделяется в виде квантов света. В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника излучение может иметь длину волны либо в области видимого глазом света, либо невидимого инфракрасного излучения. Излучение переходов на основе арсенида галлия имеет длину волны около 0,8 мкм. Переходы из карбида кремния или фосфида галлия излучают видимый свет в диапазоне от красного до голубого цвета. Важ­нейшими параметрами светодиода являются яркость и цвет свечения (или спектральный состав излучения).

Кроме основных параметров диодов, для светодиода дополнительно указывается минимальный ток в прямом на­правлении, при превышении которого светодиод зажигается. Для измерения ВАХ светодиодов можно использовать приведенные ниже схемы.