Электронно-дырочный переход (стр. 2 из 3)
Уравнение вольтамперной характеристики в этой области можно записать в виде:
,где rб – электрическое сопротивление базы, электродов и вывода в диоде.
При повышении обратного напряжения обратный ток диода не остается постоянным, а медленно увеличивается. Одной из причин роста обратного тока диода является термическая генерация носителей зарядов в переходе. Составляющую обратного тока через переход, которая зависит от числа генерируемых в переходе в единицу времени носителей заряда, условимся называть термотоком перехода IT. С повышением обратного напряжения вследствие расширения перехода увеличивается его объем, поэтому число генерируемых в переходе носителей заряда и термоток перехода возрастают.
Другой причиной роста обратного тока диода является поверхностная проводимость электронно-дырочного перехода, обусловленные молекулярными и ионными пленками различного происхождения, покрывающими выходящую наружу поверхность перехода.
Из-за нестабильности физико-химической структуры этой поверхности, подверженной влиянию окружающей среды, ток утечки по поверхности Iу нестабилен, что приводит к «ползучести» характеристик диода. В современных диода поверхность перехода специально обрабатывают и защищают от внешних воздействий, поэтому ток утечки всегда существенно меньше термотока.
Таким образом, полный и обратный ток диода:
. Когда обратное напряжение диода достигает определенного критического значения, ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода. Заметим, что пробой сопровождается выходом диода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода, и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в диоде, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Более того, для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом.
Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависти от типа диода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.
Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода: электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. При электрическом пробое число носителей заряда в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки, при тепловом пробое – за счет термической ионизации атомов.
Обычно длина свободного пробег электрона в полупроводнике значительно меньше толщины электронно-дырочного перехода. Если за время свободного пробега электроны успевают набрать достаточную энергию, то возникает ударная ионизация атомов электронами. В результате ударной ионизации наступает лавинное размножение носителей заряда.
Величина напряжения пробоя зависит от рода материала. Когда приложенное напряжение приближается к напряжению пробоя, коэффициент размножения носителей резко возрастает, растет число носителей заряда в переходе, сильно увеличивается ток через переход, наступает лавинный пробой.
При значительных напряженностях электрического поля (порядка 200 кВ/см), возможен туннельный пробой, обусловленный прямым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области, происходящим без изменения энергии электрона.
Практически при электрическом пробое могут иметь место в той или иной степени одновременно оба вида пробоя – туннельный и лавинный.
Величина напряжения пробоя существенно зависит от состояния поверхности перехода, где могут образовываться заряды того или иного знака, которые уменьшают или увеличивают результирующую напряженность поля у поверхности по сравнению ее значением в объеме. В неблагоприятном напряжении пробоя по поверхности может быть в несколько раз ниже, чем по объему. Это еще раз подчеркивает важность стабилизации свойств поверхности полупроводника, защиты ее от воздействий окружающей среды.
Тепловой пробой диода возникает вследствие перегрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.
В режиме постоянного тока мощность, подводимая к переходу, определяется обратным напряжением и обратным током:
.Эта мощность идет на разогрев перехода, в результате чего температура перехода возрастает. При этом увеличиваются концентрации носителей заряда в p-n-структуре и обратный ток перехода, что в свою очередь приводит к увеличению подводимой мощности, новому повышению температуры перехода и т. д.
Выделяющееся тепло в переходе рассеивается преимущественно за счет теплопроводности, поэтому отводимая от перехода мощность пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды:
,где RT – общее тепловое сопротивление диода.
Вольтамперная характеристика диода в режиме теплового пробоя соответствует кривой б на рис.#. Она имеет падающий характер, так как вследствие повышения температуры перехода концентрация носителей заряда в нем сильно увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток перехода.
Полупроводниковый диод обладает емкостными свойствами, т.е. способностью накапливать и соответственно отдавать заряд при увеличении или уменьшении приложенного напряжения. Накопление заряда происходит в переходе и базе диода, в соответствии с этим различают две емкости диода - барьерную и диффузионную. При этом:
Для резкого p+-n-перехода объемный заряд в переходе
При изменении напряжения на переходе изменяется его толщина, а следовательно, и заключенный в переходе нескомпенсированный заряд, что и обусловливает емкостный эффект. Барьерной емкостью (емкостью перехода) называют отношение приращения заряда на переходе dQд к вызвавшему его приращению напряжения du:
(*)Отсюда следует, что барьерная емкость пропорциональна площади перехода П и возрастает при увеличении концентрации примесей. Кроме того, она зависит от напряжения перехода, т. е. является нелинейной емкостью. Обозначим начальное значение барьерной емкости (при u=0) через
Тогда общее выражение (*) можно записать в виде
(**)График зависимости Cб/C0=f(u)для диода с резким переходом
представлен на рис (кривая Б). Из рисунка видно, что при увеличении обратного напряжения емкость перехода падает. Упрощенно эту зависимость можно пояснить следующим образом. Полупроводниковая p-n-структура представляет собой как бы электрический конденсатор, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком — электронно-дырочный переход, практически не имеющий подвижных зарядов. При увеличении обратного напряжения толщина перехода возрастает, обкладки конденсатора как бы раздвигаются и емкость его падает.
Соотношение (**) справедливо только для структур с резким переходом. В общем случае зависимость емкости от приложенного напряжения может быть записана в виде
,где
лежит в пределах от 1/2 до 1/3 в зависимости от концентрационного профиля перехода.Значения С0 в тонких переходах могут доходить до 300—600 пФ, а изменение емкости при изменении напряжения может быть десятикратным.
При переходе в область прямых напряжений возрастает не только барьерная емкость диода, но и емкость, обусловленная накоплением неравновесного заряда в р- и n-областях структуры. В несимметричной р+-n-структуре неравновесный заряд, как указывалось, накапливается в базе:
(***)Связанная с накоплением неравновесного заряда емкость диода называется диффузионной; она характеризует изменение неравновесного заряда в базе dQn при изменении напряжения диода на величину du. Из выражения (***) получаем для
(****)Эта емкость существенно отличается от обычной электрической емкости тела, характеризующей накопление равновесных зарядов. Диффузионная емкость характеризует накопление неравновесного заряда, при этом разноименные заряды накапливаются в одном и том же объеме, так как одновременно с инжекцией дырок из эмиттерного перехода в базу поступают электроны из вывода базы, чем обеспечивается сохранение электрической нейтральности тела базы. Вследствие процесса рекомбинации накопленный заряд, а следовательно, и диффузионная емкость быстро уменьшаются во времени. Скорость спада зависит от времени жизни неравновесных носителей заряда и толщины базы.