Вольтамперная характеристика реального перехода

(полупроводникового диода)

Электронно-дырочный переход лежит в основе структуры одного из полупроводниковых приборов – диода. Простейшая одномерная структура полупроводникового диода практически совпадает со структурой, приведенной на рис. 2.2, а. Основные свойства диодов определяются свойствами перехода, среди них односторонняя проводимость, нелинейность ВАХ, емкостные свойства. Эти свойства в свою очередь определяют конкретные применения полупроводниковых диодов.

В п. 2.4 рассмотрена ВАХ идеализированного перехода – см. рис. 2.4. Для получения ВАХ реального перехода (полупроводникового диода) необходимо снять принятые в п. 2.4 допущения. Во-первых, необходимо учесть падение напряжения на n- и p-областях, образующих переход, т.е. на эмиттере и базе диода. Поскольку эмиттер легируется очень сильно, его сопротивление не превышает нескольких единиц Ом, и им реально можно пренебречь. В силу более слабого легирования базы ее объемное сопротивление может достигать десятков Ом, и его необходимо учитывать. Во-вторых, необходимо учесть тепловую генерацию и рекомбинацию электронов и дырок в самом переходе.

Учет объемного сопротивления базы приводит к тому, что напряжение, прикладываемое к самому переходу уменьшается на величину падения напряжения на «теле» базы. Поскольку база представляет собой линейный резистор, падение напряжения на ней линейно связано с протекающим через переход током. В этом случае выражение для характеристики реального перехода имеет вид

[ exp ( ,(2.14)

где - падение напряжения на «теле» базы. Использовать для расчетов неявное выражение (2.13) неудобно, поскольку в нем ток присутствует и в левой и правой части. Для получения явного выражения удобно выразить напряжение через ток. Логарифмируя (2.13) получаем выражение для ВАХ реального перехода в виде

, (2.15)

здесь первое слагаемое отражает падение напряжение на самом (идеализированном) переходе, а второе, соответственно, на базе.

Для построения графика ВАХ реального перехода следует сделать важное замечание. На практике работа полупроводниковых диодов в режиме микротоков не представляет интереса. Реально даже маломощные диоды работают при прямых токах в единицы - десятки миллиампер, на несколько порядков превосходящих обратные токи. Поэтому построить совмещенный график, подобный приведенному на рис. 2.4, в едином масштабе по оси токов для прямой и обратной ветвей не удастся. Аналогичным образом не удастся использовать единый масштаб по оси напряжений, поскольку прямое напряжение невелико, с учетом падения напряжения на базе оно не превышает одного-двух вольт, в то время, как обратное напряжение может достигать нескольких сотен вольт.

Поэтому на графике ВАХ реального перехода, приведенном на рис. 2.5, масштабы по осям токов и напряжений для прямой и обратной ветвей выбраны разными. Они соответствуют характерным для маломощных диодов значениям токов и напряжений. Штриховой линией на рисунке показана ВАХ идеализированного перехода. Следует обратить внимание на характерный излом, который имеет ВАХ в начале координат. Этот излом связан с выбором разного масштаба по осям для прямой и обратной ветвей и никакой физической причины не имеет (в режиме микротоков, как видно из рис. 2.4, ВАХ представляет собой гладкую кривую).

 

 

Рис. 2.5. Вольтамперная характеристика

реального перехода.

 

Прямая ветвь ВАХ идеализированного перехода, отражающая первое слагаемое в выражении (2.15), характеризуется очень резким экспоненциальным ростом тока при увеличении напряжения. Нетрудно подсчитать, что при увеличении напряжения всего на 57 милливольт ток увеличивается на порядок. Учет падения напряжения на теле базы приводит к замедлению роста тока (см. сплошную линию на рис. 2.5.), причем поскольку падение напряжения на базе линейно увеличивается с ростом тока, ВАХ реального перехода все больше отстает от экспоненты и постепенно приобретает линейный характер. При достаточно больших прямых напряжениях (1…2 вольта) падение напряжение на базе оказывается больше падения напряжения на самом переходе, и ВАХ становится практически линейной.

Тепловая генерация и рекомбинация носителей заряда в переходе, приводит к тому, что к току, создаваемому пересекающими переход носителями, добавляются дополнительные составляющие тока, создаваемые носителями, возникающими в переходе за счет генерации и исчезающими в переходе за счет рекомбинации. Эти составляющие направлены навстречу друг другу и называются соответственно генерационной i_ГЕН и рекомбинационной i_РЕК. В равновесном состоянии перехода ( 0) они взаимно компенсируют друг друга. При прямом смещении рекомбинация превалирует над генерацией, и рекомбинационная составляющая тока, превышает генерационную, при обратном смещении, напротив, генерационная составляющая превышает рекомбинационную.

Рекомбинационная составляющая тока обычно очень мала по сравнению с прямым током, создаваемым носителями, инжектируемыми из эмиттера в базу, и ей можно пренебречь. Поэтому на рис. 2.5. вклад рекомбинационной составляющей в прямой ток не показан. Что касается генерационной составляющей тока, то она может не только быть сравнимой с обратным тепловым током, но и значительно его превосходить, поэтому ее необходимо учитывать. Приведенная на рис. 2.5 сплошной линией ВАХ реального перехода построена с учетом генерационной составляющей. Как видно из рисунка i_ГЕН увеличивается с ростом обратного напряжения, что объясняется соответствующим увеличением ширины перехода.

При некотором обратном напряжении, которое называется пробивным напряжением, происходит очень резкое увеличение обратного тока, называемое пробоем перехода - см. рис. 2.5. Увеличение обратного тока связано с резким увеличением концентрации носителей заряда в переходе. Существуют три причины увеличения концентрации носителей и, соответственно, различают три вида пробоя перехода.

Первой из отмеченных причин является так называемый эффект ударной ионизации атомов кристаллической структуры полупроводника ускоренными электрическим полем носителями заряда. Как отмечалось в п. 1.2, при соударении с атомами подвижные носители заряда отдают им свою кинетическую энергию. При относительно слабом поле носители заряда получают от него относительно небольшую энергию, которая может только несколько увеличить амплитуду тепловых колебаний атомов. Но при некоторой критической напряженности поля, соответствующей пробивному напряжению, энергия, получаемая носителями от поля, оказывается достаточной для ионизации атома при соударении с ним. Этот эффект и называется ударной ионизацией. Нетрудно видеть, что энергия, которую для этого должны получать носители должна быть не меньше ширины запрещенной зоны энергетической диаграммы полупроводника. Появившиеся в результате ударной ионизации электроны и дырки ускоряются полем и также участвуют в ионизации атомов, в результате чего концентрация носителей лавинно увеличивается. Соответственно пробой, вызываемый ударной ионизацией называется лавинным пробоем.

Другой причиной резкого увеличения концентрации носителей заряда является так называемый туннельный эффект. Соответствующий вид пробоя перехода получил название туннельного пробоя. Туннельный эффект возникает в переходе при очень высокой концентрации примесей (N_D, N_A ˃ 5•10¹⁸ см^-3) и очень высокой напряженности поля (Е ˃ 10⁶ В/см). При высокой концентрации примесей толщина перехода оказывается очень маленькой ( 10^-2 мкм), сравнимой с длиной свободного пробега электронов. При очень высокой напряженности поля потенциальный и, соответствующий ему энергетический барьеры, оказываются настолько высокими, что потолок валентной зоны р-области оказывается выше дна зоны проводимости n-области. В этом случае электроны из валентной зоны р-области могут переходить в зону проводимости n-области сквозь тонкий переход не изменяя своей энергии. Такой переход электронов и называется туннельным эффектом.

Лавинный и туннельный пробой объединяет то, что они происходят под действием электрического поля, поэтому их оба называют полевыми пробоями. Вольтамперная характеристика перехода при возникновении лавинного и туннельного пробоев также ведет себя одинаково – см. участок 1 на рис 2.5. Обратный ток в режиме пробоя увеличивается очень сильно и может достигать величины, сравнимой с прямым током, поэтому масштаб по оси токов на этом участке ВАХ следует считать условным.

Другая особенность, объединяющая лавинный и туннельный пробой, заключается в том, что оба они оказываются обратимыми, т.е. не вызывают выхода из строя полупроводниковых диодов. Обратимые эффекты, как правило, используются в различных приборах. Так лавинный и туннельный пробой используются в специальных диодах, называемых стабилитронами. Поскольку в режимах лавинного и туннельного пробоя напряжение на диоде изменяется в очень небольших пределах, стабилитроны, как следует из их названия, используются для стабилизации постоянного напряжения в электрических схемах. Следует отметить, что при относительно низких пробивных напряжениях (до 6…7 вольт) проявляется туннельный пробой, при напряжениях выше 9…10 вольт имеет место лавинный пробой, при напряжениях 6…10 вольт могут происходить оба пробоя одновременно.

В СВЧ диапазоне широко используются специальные диоды, принцип работы которых основан на использовании лавинного и туннельного пробоя, называемые, соответственно, лавинно-пролетным диодом (ЛПД) и туннельным диодом (ТД). Эти диоды будут рассматриваться в ходе изучения дисциплины «Электроника».

Третий вид пробоя перехода получил название теплового пробоя, поскольку в этом случае причиной увеличения концентрации носителей заряда является ускорение тепловой генерации в переходе, связанное с увеличением температуры перехода из-за выделения в нем тепла протекающим током. Здесь следует отметить, что при увеличении концентрации носителей увеличивается ток, протекающий через переход, и, соответственно, мощность, выделяемая в переходе. В результате увеличивается температура и еще больше ускоряется тепловая генерация. Таким образом замыкается цепь положительной обратной связи, приводящей к неограниченному росту температуры и разрушению кристаллической структуры полупроводника. Тепловой пробой оказывается необратимым, при его возникновении полупроводниковые приборы выходят из строя. Участок ВАХ, соответствующий тепловому пробою (обозначен цифрой 2 на рис. 2.5) характеризуется уменьшением напряжения при увеличении тока.

Обычные полупроводниковые диоды, например, выпрямительные не предназначены для работы в режиме пробоя, поэтому их обратное напряжение ограничивается указываемым в справочниках максимальным (допустимым) значением, которое на 20…30% ниже пробивного напря-жения.

Для расчетов удобно использовать кусочно-линейную аппроксимацию ВАХ реального перехода (диода). Для ее построения линейный участок прямой ветви ВАХ продлевается до пересечения с осью напряжений – см. прямую линию на рис. 2.5. Напряжение, соответствующее пересечению этой линии с осью напряжений , называется пороговым напряжением. В результате получаем аппроксимацию ВАХ в виде

⎰ 0 при ˂ ,

(2.16)

⎩ при ˃ ,

где – дифференциальное сопротивление перехода в области рабочих токов. Пороговое напряжение определяется равновесной высотой потенциального барьера в переходе ( ≈ ), в германиевых диодах 0,3 В, в кремниевых диодах 0,7 В. Таким образом, полупроводниковый диод открывается при прямом напряжении, превышающем пороговое напряжение. При напряжениях, меньших порогового, диод остается практически запертым.

Влияние температуры на ВАХ диода иллюстрирует рис. 2.6, на котором представлены две характеристики, различающиеся температурой. Заметим, что здесь температура выражается в °С. Уменьшение высоты потен-

Рис. 2.6. К оценке влияния температуры на вольтамперную

характеристику реального перехода.

 

циального барьера с ростом температуры объясняет увеличение прямого тока при заданном напряжении. Если рассматривать ситуацию при постоянном токе, то при увеличении температуры прямое напряжение уменьшается, т.е. характеристика несколько смещается в область более низких напряжений – см. рис. 2.6. Это смещение можно оценить с помощью температурного коэффициента напряжения

│ _{i = const .} (2.17)

Для германиевых диодов ≈ - 2 мВ / °С; для кремниевых диодов ≈ - 3 мВ / °С.

Увеличение обратного тока с ростом температуры объясняется возрастанием скорости тепловой генерации и соответствующим увеличением концентрации неосновных носителей заряда. Если известен обратный ток при некоторой температуре t ₀, то для оценки величины обратного тока при изменении температуры на величину используется выражение

t ₀ + = t ₀) , (2.18)

где t^* - температура удвоения обратного тока. Для германиевых диодов t^* = 10 °С; для кремниевых диодов t^* = 8 °С.