Обратное включение PN-перехода

При обратном включении внешний источник питания Е_вн подключается минусом к Р -области, а плюсом к N- области. При, этом внешний источник действует в одном направлении с внутренним E_к. Контактная разность потенциалов увеличивается и становится равной φ_к’ = φ_к + U_обр. В этом случае диффузия ОНЗ отсутствует и через PN -переход течет только дрейфовый ток ННЗ. Этот процесс называется экстракцией. На рисунке 1.10 приведены структура и ВАХ для обратного включения РN-перехода. При обратном включении с увеличением напряжения увеличивается ток незначительно, так как обратный ток обусловлен неосновными носителями, образованными за счёт тепловой энергии.

С увеличением потенциального барьера сопротивление PN -перехода увеличивается до сотен МОм, а ток, хотя и увеличивается, но мал по величине, так как обусловлен ННЗ и составляет десятки…сотни мкА.

а б

Рисунок 1.10. а – Обратное включение PN -перехода;

б – ВАХ PN -перехода для германия

На рисунке 1.11 приведены структура несимметричного РN -перехода и ВАХ при различных температурах. С повышением температуры число носителей заряда увеличивается, токи в PN-переходе возрастают. Причем влияние изменения температуры сильнее сказывается на ход обратной ветви ВАХ.

а б

Рисунок 1.11. а – Несимметричный PN-переход; б – ВАХ PN-перехода

Ток прямой значительно больше обратного, поэтому PN -переход обладает свойством односторонней проводимости, то есть| I_пр |»| I_обр |, которым можно пренебречь.

Большой прямой ток приводит к выделению на PN -переходе большой тепловой энергии, поэтому прямые напряжения обычно небольшие, порядка 0.2…1,5 В. Обратные напряжения могут быть значительно выше – десятки, сотни вольт.

При больших обратных напряжениях возникает резкое увеличение обратного тока, которое связано с процессом вторичной ударной ионизации. Явление резкого увеличения обратной проводимости PN -перехода при достижении обратным напряжением критического, называется пробоем PN- перехода. Различают электрический и тепловой пробой.

Электрический пробой – это пробой, обусловленный лавинным размножением носителей заряда или туннельным эффектом (участок АБ на рисунке 1.11,б). Электрический пробой – процесс обратимый. При уменьшении обратного напряжения до величины, меньшей критической, обратный ток резко уменьшается.

Тепловой пробой – это рост числа носителей заряда в результате нарушения равновесия между выделяемым в PN-переходе и отводимым от него теплом. Этот процесс необратим и связан с разрушением структуры полупроводника (участок БВ на рисунке 1.11,б), уменьшением сопротивления и напряжения до нуля.

Германиевый PN- переход обладает большей величиной прямого тока и обеспечить его можно при значительно меньшем U_пр;

Кремниевый PN -переход выдерживает значительно большие U_обр и электрический пробой наступает при больших U_обр, чем в германиевом; температурная зависимость у кремниевого PN - перехода выражена гораздо слабее.

Нескомпенсированные объемные заряды атомов акцепторной и донорной примесей в PN -переходе, разделенные обедненным слоем с малой электропроводностью, образуют емкость. Эту емкость называют барьерной (C_бар):

C_бар = dQ_непод / dU_обр;

При протекании через PN -переход I_пр вблизи границы раздела областей происходит накопление инжектированных носителей заряда, не успевших рекомбинировать с основными носителями базы. Эти носители заряда образуют емкость, называемую диффузионной емкостью,

C_диф = dQ_подв / dU_пр.

Выводы. 1. PN -переход образуется на границе P- и N -областей, созданных в едином кристалле полупроводника. 2. В результате деффузии основных носителей заряда в смежные области в PN- переходе возникает электрическое поле (потенциальный барьер), препятствующее выравниванию концентраций основных носителей заряда в смежных областях. 3. При отсутствии внешнего напряжения в PN- переходе устанавливается динамическое равновесие: ток диффузии уменьшается до величины встречного дрейфового (теплового) тока, образованного неосновными носителями заряда, и результирующий ток через переход становится равным нулю. 4. При прямом включении PN -перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает относительно большой ток диффузии. 5. При обратном включении PN -перехода потенциальный барьер повышается, ток диффузии уменьшается до нуля и через переход протекает малый дрейфовый ток. 6. Таким образом, PN- переход обладает односторонней проводимостью, благодаря чему он широко используется для выпрямления переменных токов. 7. Ширина PN- перехода зависит от концентрации примесей в P- и N- областях и от знака и величины приложенного напряжения. Увеличение концентрации примесей приводит к уменьшению ширины перехода.

С увеличением прямого напряжения ширина PN- перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения - возрастает.

Контрольные вопросы:

1. Что такое электронно-дырочный переход?

2. В чем сущность процесса диффузии в PN -переходе?

3. Что такое потенциальный барьер? Какова природа его возникновения?

4. Как образуется дрейфовый ток в PN -переходе и почему его называют тепловым током?

5. Какое включение PN -перехода называют прямым? Что представляет собой прямой ток через PN -переход?

6. Что такое инжекция основных носителей заряда?

7. Какое включение называют обратным? Что представляет собой обратный ток через PN -переход?

8. Что такое экстракция неосновных носителей заряда?

9. Что такое электрический пробой PN -перехода?

10. Что такое тепловой пробой PN -перехода?

Дата добавления: 2014-11-16