Лекция: Вольт-амперна характеристика ідеалізованого р-п-переходу

Електронно-діркові переходи широко використовують як складові частини напівпровідникових приладів, а тому визначають вхідні або вихідні параметри таких компонентів електронних схем. Для їх оцінки важливою є характеристика залежності між напругою, яка діє на електродах приладу, і струмом — вольт-амперна характеристика (ВАХ). Для спрощення процедури виведення ВАХ аналізують ідеалізований р-п -перехід. Цей перехід являє собою спрощену модель реального р-n-переходу, в якій зроблено такі припущення:

— у запірному шарі немає генерації та рекомбінації носіїв заряду; носії проходять через збіднений шар миттєво, тобто струми носіїв одного знака на обох межах однакові;

— за межами запірного шару немає електричного поля, тут носії рухаються внаслідок дифузії; опір нейтральних областей порівняно з опором збідненого шару вважається нехтовно малим, що дозволяє не враховувати опори бази та елементів емітера;

— рівень інжекції малий, за якого немає явищ пробою в р-n-переході;

— межі р-n-переходу є плоскими, носії рухаються тільки в напрямі, перпендикулярному до цих меж, крайові ефекти не враховуються, зокрема, вважається, що тут немає струму витоку.

Рівняння ВАХ ідеалізованого переходу одержують на підставі рівнянь неперервності для напівпровідника з урахуванням зміни концентрації дірок та електронів під дією зовнішніх факторів, швидкості рекомбінації дірок та електронів. Аналітичні перетворення та детальний аналіз процесів, які дозволяють одержати ВАХ, розглядаються у відповідних розділах фізики твердого тіла.

Рівняння ВАХ ідеалізованого р-n-переходу має вигляд:

,

де Iо — струм екстракції або струм насичення; jT — температурний потенціал (при кімнатній температурі jT =0,026 В).

Таким чином, можна визначити струм через перехід I, якщо задано напругу U. Прологарифмувавши рівняння (2.20), вираз для ВАХ можна записати так:

. (7.21)

Рівняння ВАХ дозволяє одержати вираз для прямого IF і зворотного ІR струмів p-n-переходу. Якщо зміщення пряме, зовнішня напруга, як правило, UF >3jT. Тому одиницею в дужках можна знехтувати. Залежність між струмом і прямою напругою відображає експоненту:

. (7.22)

Якщо зміщення зворотне і мінус UR > ЗjT, експоненціальна складова стає значно меншою за одиницю і її можна не враховувати. Зворотний струм через перехід визначають значенням теплового струму:

.

Одержані вирази (7.20) — (7.23), незважаючи на зроблені припущення, досить повно характеризують залежність між струмом і напругою на p-n-переході. Це — найважливіша характеристика p-n переходу; її широко використовують, аналізуючи напівпровідникові прилади. Вольт-амперну характеристику для малих прямих напруг U £ 3jT, показано на рис. 7.8 (крива I, ліва шкала відліку).

При прямій напрузі прямий струм різко збільшується: струм на порядок збільшується за умови збільшення напруги на 2,3 jT (60 мВ при Т=300 К

15 1 3

10

5

-6 -4 -2

2 4 6 8

Рис. 7.8 — Вольт-амперні характеристики ідеалізованого p n-переходу

При зворотній напрузі, що перевищує за модулем (2...3) jT, зворотний струм ідеалізованого p-n-переходу не залежить від напруги і дорівнює I0. Робочі прямі струми p-n-переходів у напівпровідникових приладах на декілька порядків перевищують I0. Для прямих струмів близько (103...104) I0 на рис. 7.8 показано праву шкалу; ВАХ зображено кривою 2, для якої зворотний і початковий відрізки характеристики не виділяються.