Подключим к р-n-переходу внешний источник напряжения так, как это показано на рис. 1.9. Это так называемое прямое включение р-n-перехода. В результате потенциальный
барьер уменьшится на величину напряжения и (рис. 1ЛО), дрейфовый поток уменьшится, р-n-переход перейдет в неравновесное состояние, и через него будет протекать так называемый прямой ток.
Подключим к р-n-переходу источник напряжения так, как это показано на рис. L11. Это так называемое обратное включение р-n-перехода. Теперь потенциальный барьер увеличится на напряжение и (рис. 1.12). В рассматриваемом случае ток через р-n-переход будет очень мал. Это так называемый обратный ток, который обеспечивается термогенерацией электронов и дырок в областях, прилегающих к области p-n-перехода.
Обозначим через и напряжение на p-n-переходе, а через i — ток перехода (рис. 1.13). Для идеального р-n -пе-рехода имеет место следующая зависимость тока i от напряжения и:
где is— ток насыщения (тепловой ток), индекс s — от английского saturation current, для кремниевых диодов обычно is =1O-15...1O-13 A;
к — постоянная Больцмана, к=1,38-10-23 Дж/К = = 8,62 • 10-5 эВ/К;
Т— абсолютная температура, К;
q — элементарный заряд, q=1,6*10-19 Кл
fТ — температурный потенциал, при температуре 20 °С (эта температура называется комнатной в отечественной литературе) fТ = 0,025 В, при температуре 27 оС (эта температура называется комнатной в зарубежной литературе) fТ = 0,026 В.
Изобразим график зависимости тока i от напряжения и, которую называют вольт-амперной характеристикой p-w-перехода (рис 1.14).
Полезно отметить, что, как следует из приведенного выше выражения, чем меньше ток is> тем больше напряжение и при заданном положительном (прямом) токе. Учитывая, что ток насыщения кремниевых (Si) переходов обычно меньше тока насыщения германиевых (Ge) переходов, изобразим соответствующие вольт-амперные характеристики (рис. 1.15).
Пробой p-n-перехода. Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода rдиф которое определяется выражением
где и — напряжение на переходе;
i — ток перехода (см. рис. 1.13).
После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока. В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным). Изобразим соответствующий участок вольт-амперной характеристики p-n-перехода (рис. 1.16).
В основе пробоя р-n-перехода лежат три физических явления:
• туннельного пробоя p-n-перехода (эффект, явление
Зенера);
• лавинного пробоя р-n-перехода;
• теплового пробоя р-n-перехода.
Термин «пробой» используется для описания всей совокупности физических явлений и каждого отдельного явления.
И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.
Рассмотрим все три вида пробоя.
Туннельный пробой. Его называют также зенеровским пробоем по фамилии (Zener) ученого, впервые описавшего соответствующее явление в однородном материале. Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процессы при пробое перехода, в основе которых лежал лавинный пробой.
В иностранной литературе до сих пор называют диодами Зенера стабилитроны (диоды, работающие в режиме пробоя) независимо от того, используется туннельный или лавинный пробой. Напряжение, при котором начинается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяснения механизма туннельного пробоя схематически изобразим соответствующую зонную диаграмму р-п-перехода (рис. 1.17).
Если геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина, толщина барьера)
достаточно мало, то возникает туннельный эффект — явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в p-n-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.
Лавинный пробой. Механизм овинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах, схематично явление лавинного пробоя изобразим на рис. 1.18.
Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон)
приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление).
Тепловой пробой. Увеличение тока при тепловом пробое
объясняется разогревом полупроводника в области р-n-пе-
рехода к соответствующим увеличением удельной проводимости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным
дифференциальным сопротивлением. Если полупроводник — кремний, то при увеличении обратного напряжения
тепловой пробой обычно возникает после электрического
(во время электрического пробоя полупроводник разогревается, а затем начинается тепловой пробой). После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств.
После теплового пробоя, если полупроводник успел на
греться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (соответствующий полупроводниковый
прибор выходит из строя).
Явление изменения некомпенсированных объемных заря-дов е области р-п-перехода. Барьерная емкость. Как ужеотмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок через p-n-переход в области перехода возникают нескомпен-сированные объемные (пространственные) заряды ионизированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока. Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое в свою очередь самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т. е. на процесс протекания тока.
При увеличении обратного напряжения область пространственных зарядов (главным образом за счет базы) и величина заряда в каждом слое (p и n) полупроводника увеличиваются. Это увеличение происходит непропорционально: при большом по модулю обратном напряжении
заряд увеличивается при увеличении модуля напряжения медленнее, чем при малом по модулю обратном напряжении.
Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.19), где используем обозначения:
Q — пространственный заряд в слое п полупроводника;
и — внешнее напряжение, приложенное к р-n-перехо-ду.
Обозначим через f функцию, описывающую зависимость Q от и. В соответствии с изложенным Q =f(u).
В практике математического моделирования (и при ручных расчетах) удобно и поэтому принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. На практике широко используют так называемую барьерную емкость Сбар р-n-перехода, причем по определениюИзобразим графи-
ки для Q (рис. 1.20) и Сбар(рис. 1.21).
Явление возникновения и изменения объемного заряда неравновесных носителей электричества. Диффузионная емкость. Если напряжение внешнего источника напряжения смещает p-n-переход в прямом направлении (и > 0), то начинается инжекция (эмиссия) — поступление неосновных носителей электричества в рассматриваемый слой полупроводника. В случае несимметричного p-n-перехо-
да (что обычно бывает на практике) основную роль играет инжекция из эмиттера в базу.
Далее предполагаем, что переход несимметричный и что эмиттером является слой р, а базой — слой n. Тогда инжекция — это поступление дырок в слой n. Следствием инжекции является возникновение в базе объемного заряда дырок.
Известно, что в полупроводниках имеет место явление диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла), которое состоит в том, что возникший объемный заряд практически мгновенно компенсируется зарядом подошедших свободных носителей другого знака. Это происходит за время порядка 10-12с или 10-11 с.
В соответствии с этим поступивший в базу заряд дырок будет практически мгновенно нейтрализован таким же по модулю зарядом электронов.
Используем обозначения:
Q — объемный заряд неравновесных носителей в базе;
и — внешнее напряжение, приложенное к p-n-переходу;
f— функция, описывающая зависимость Q от и.
Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.22).
В соответствии с изложенным Q = f(и). На практике удобно и принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. При этом используют понятие диффузионной емкости Сдиф p-n-перехода, причем по определению Сдиф = dQ/dw. Емкость называют диффузионной, так как рас-
сматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе. Cдиф удобно и принято описывать не как функцию напряжения и а как функцию тока i p-n-перехода.
Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.23, а). В свою очередь ток i экспоненциально зависит от напряжения и (соответствующее выражение приведено выше), поэтому производная di/du также прямо пропорциональна току (для экспоненциальной функции ее производная тем больше, чем больше значение функции). Отсюда следует, что емкость Сдиф прямо пропорциональна току i (рис. 1.23,6):
где fT— температурный потенциал (определен выше);
t — среднее время пролета (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).
Среднее время пролета - это время, за которое инжектируемые носители электричества проходят базу, а время жизни — время от инжекции носителя электричества в базу до рекомбинации.
Общая емкость р-п-перехода. Эта емкость Спер равна сумме рассмотренных емкостей, т. е. Спер = Сбар+Сдиф
При обратном смещении перехода (и < 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитыва-
ют барьерную емкость. При прямом смещении обычно