Вольт-амперная характеристика p-n перехода

Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой. Вольт-амперная характеристика может быть линейной, как у сопротивлений, или нелинейной, как у большинства полупроводниковых приборов. Рассмотрим вольт-амперную характеристику p-n перехода, который по существу является диодом.

На рис. 12,а показан p-n переход, замкнутый накоротко внешней электрической цепью. Затемненная область соответствует обедненному слою. В этом случае ток диффузии и ток дрейфа равны по величине и противоположны по направлению. Суммарный ток через переход равен нулю.

Если на переход подать положительное напряжение, то обедненный слой сузится, рис. 12,б. Говорят, что в этом случае осуществляется смещение p-n перехода в прямом направлении. Действие прямого напряжения вызывает прямой ток i_пр через переход,

i_пр=i_диф-i_др>0,

где: i_диф – ток диффузии, i_др- ток дрейфа[1].

Электрическое поле, создаваемое прямым напряжением, действует навстречу контактной разности потенциалов. Результирующее поле становится слабее, высота потенциального барьера понижается и возрастает диффузионный ток. При этом ток дрейфа почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на p-n переход из n и р областей. При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но и уменьшается толщина запирающего слоя и сопротивление перехода в прямом направлении становится малым (единицы-десятки ом). При некотором прямом напряжении потенциальный барьер может быть вообще уничтожен. Тогда сопротивление перехода окажется равным нулю. Тогда ток через переход будет определяться сопротивлением р и n областей полупроводникового прибора.

При подаче напряжения обратного знака, обедненный слой увеличится, рис. 11,в. Говорят, что в этом случае осуществляется смещение p-n перехода в обратном направлении. Под действием обратного напряжения через переход протекает очень небольшой обратный ток, i_обр,

i_обр=i_др-i_диф>0.

Поле, создаваемое обратным напряжением складывается с полем контактной разности потенциалов, высота потенциального барьера возрастает. Уже при небольшом повышении барьера ток диффузии становится практически равным нулю. Ток дрейфа (ток проводимости) остается почти неизменным, так как он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на р-n переход из n и р областей. С увеличением обратного напряжения увеличивается высота потенциального барьера и толщина запирающего слоя. Поэтому сопротивление перехода в обратном направлении значительно возрастает и становится много больше прямого сопротивления.

Таким образом, смещение в прямом направлении уменьшает, а смещение в обратном направлении увеличивает потенциальные барьеры для электронов и дырок на величину напряжения смещения.

P-n переход называется тонким, если его ширина (L₀) оказывается много меньше средней длины свободного пробега дырки или электрона до рекомбинации (меньше длины диффузного смещения - L_Д). Для тока через тонкий p-n переход справедливо соотношение:

, (3)

где: I_S- обратный ток насыщения (ток дрейфа), u – напряжение на переходе, γ – коэффициент, равный 1 для германия и 1-2 для кремния, U_T – температурный потенциал:

U_T=k∙T/q,

где: q – заряд электрона, Т – абсолютная температура, k – постоянная Больцмана. При комнатной температуре (Т=290) U_T=0.025 В.

Снабдив p-n переход омическими контактами, одинаково хорошо проводящими ток в любом направлении, получим плоскостной диод. На рис. 13 показаны вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов (обратный ток кремниевого диода не показан). Масштаб по оси ординат для отрицательных значений токов взят во много раз больше, чем для положительных значений.

Уже при сравнительно небольших отрицательных напряжениях обратный ток равен обратному току насыщения I_S. Этот ток создается неосновными носителями заряда: электронами р-области и дырками n-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела. При увеличении обратного напряжения ток не увеличивается, так как на границе перехода число неосновных носителей в единицу времени определяется лишь температурой и не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Обратный ток кремниевого диода обычно на 2-3 порядка меньше обратного тока германиевого диода, поэтому он на рис. 13 не показан.

Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется у германиевых диодов лишь при напряжении 0.1-0.2 В, а у кремниевых – при 0.5-0.6 В, что и отмечено на рис. 13.

Отметим, что при определении прямого тока можно пренебречь единицей в выражении (3), поскольку напряжение, при котором начинает течь заметный ток равно 0.1-0.2 В, т.е. во много раз превышает температурный потенциал U_T, равный 0.025 В. Тогда получим:

, (4)

Дата добавления: 2014-01-15