Вольтамперная характеристика реального p-n перехода

При выводе вольтамперной характеристики ЭДП были использованы определенные допущения, то есть p-n структура была несколько идеализирована. Так, например, сопротивления эмиттера и базы принимались малыми, и считалось, что все внешнее напряжение прикладывается непосредственно к p-n переходу. Кроме того, полагалось, что токи собственно в переходе не меняются и определяются только процессами инжекции и экстракции. Таким образом, была получена ВАХ идеального p-n перехода, поведение которой несколько отличается от ВАХ p-n перехода реального.

В действительности, в переходном слое, так же, как и в областях p и n, происходит генерация и рекомбинация носителей заряда. При этом образуются токи генерации и рекомбинации , влияние которых в ряде случаев существенно, в особенности для приборов, изготовленных из кремния. Эти составляющие тока ведут себя по-разному в различных включениях p-n перехода. Так при отсутствии напряжения процессы генерации и рекомбинации уравновешивают друг друга, поэтому .

При подключении к p-n переходу обратного напряжения, область перехода дополнительно обедняется подвижными носителями, поэтому рекомбинация в нем замедляется, и процесс генерации остается неуравновешенным. Избыточные генерируемые носители разносятся полем в нейтральные слои: электроны – в n-слой, дырки – в р-слой. Эти потоки и образуют дополнительный обратный ток, называемый током термогенерации .

При повышении обратного напряжения на p-n переходе его ширина увеличивается, поэтому возрастает число генерируемых в переходе носителей, а следовательно, и ток через переход. Этот эффект особенно заметен в кремниевых структурах, имеющих малый ток экстракции.

Способствует росту обратного тока и поверхностная проводимость p-n перехода, обусловленная наличием на поверхности перехода молекулярных и ионных пленок различного происхождения. Из-за нестабильности их физико-химической структуры, подверженной влиянию окружающей среды, ток утечки по поверхности нестабилен, что приводит к «ползучести» характеристик p-n перехода. При изготовлении полупроводниковых приборов специальной обработкой уменьшают величину токов утечки до пренебрежимо малых значений.

Более существенное влияние на работу p-n переходов оказывают канальные токи. Механизм возникновения канальных токов следующий. Адсорбированные на поверхности полупроводника слои могут создавать заряды обоих знаков. Например, у германия адсорбированные пары ацетона и воды, спирт, аммиак образуют положительный заряд, а кислород, озон, хлор – отрицательный.

На рис. 13 показано, как положительные заряды на поверхности р-области, электронно-дырочного перехода притягивают из ее глубины электроны и выталкивают дырки. Вследствие этого в приповерхностной р-области образуется слой, где концентрация электронов превышает концентрацию дырок, то есть слой проводимости n-типа (инверсный слой). Этот n-слой образует с р-областью p-n переход. Такие инверсные слои вблизи поверхности полупроводника называют каналами, а токи, протекающие через образовавшийся p-n переход, – канальными . Конфигурация канала зависит от состояния поверхности полупроводника.

Рис. 13. Образование канала в полупроводнике р-типа.

С образованием канала увеличивается общая площадь p-n перехода и ток дрейфа, так как переход, возникший в результате образования канала, работает как обычный p-n переход. Это приводит к увеличению теплового тока перехода, что ухудшает свойства прибора на его основе.

Таким образом, ток, протекающий через реальный p-n переход при обратном напряжении, состоит из суммы токов

в отличие от идеального перехода, имеющего всего одну составляющую , не зависящую от приложенного напряжения. Дополнительные же токи изменяются с увеличением обратного напряжения, как например, (из-за расширения p-n перехода) или (из-за увеличения напряженности электрического поля на поверхности кристалла). Это значит, что постоянства обратного тока в реальном p-n переходе не наблюдается (см. рис. 12, характеристика 2). Соотношение между отдельными составляющими тока в основном зависит от температуры и ширины запрещенной зоны полупроводника.

Вольт-амперная характеристика реального p-n перехода при прямом включении также отличается от ВАХ идеального перехода из-за учета токов генерации-рекомбинации, канальных токов, а также падения напряжения на сопротивлении активных р и n областей. Каждый из перечисленных факторов оказывает влияние на ход ВАХ на определенном ее участке.

В области малых токов падением напряжения в объеме полупроводника можно пренебречь и считать, что напряжение, приложенное к электродам, практически полностью падает на переходе. Ток генерации и канальный ток на этом участке малы, поскольку переход сильно сужен. В результате реальная характеристика расположена ниже теоретической (рост тока с увеличением замедлен), в основном, из-за рекомбинации дырок и электронов в реальном p-n переходе.

В области средних токов реальная и теоретическая ВАХ почти совпадают, так как ток инжекции значительно превышает канальный ток и ток рекомбинации, а падение напряжения в р- и n-областях еще незначительно.

При работе перехода в области больших токов рекомбинационными и канальными токами можно тем более пренебречь. Большой ток, протекающий через p-n переход, практически определяется диффузионной составляющей, при этом существенно возрастает роль падения напряжения в объеме полупроводника, особенно в базовой области ().

В результате реальная ВАХ в области больших прямых токов оказывается расположенной ниже теоретической и описывается уравнением

.

Вид вольт-амперной характеристики реального p-n перехода представлен на рис. 12, характеристика 2.

Дата добавления: 2014-10-17