Вольтамперная характеристика p-n перехода.

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 25 из 36Следующая ⇒

Свойства электронно-дырочного перехода наглядно иллюстрируются его вольтамперной характеристикой (рис. 8.4.1), показывающей зависимость тока через p-n переход от величины и полярности приложенного напряжения.

Аналитическим выражением вольтамперной характеристики p-n пере-хода является формула:

, (8.4.1)

где I₀ – обратный ток насыщения p-n перехода, определяемый физическими свойствами полупроводникового материала;

U – напряжение, приложенное к p-n переходу;

е – основание натуральных логарифмов;

е – заряд электрона;

k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура p-n перехода.

Формула (8.4.1) пригодна как для прямых, так и обратных напряжений (прямое напряжение положительное, обратное – отрицательное). Из формулы (8.4.1) следует, что при положительных (прямых) напряжениях ток через p-n переход с увеличением напряжения резко возрастает. При отрицательных (обратных) напряжениях показатель степени числа е – отрицательный.

Поэтому при увеличении обратного напряжения величина

(8.4.2)

становится значительно меньше единицы и ею можно пренебречь.

При этом I=I_обр » - I₀, т.е. обратный ток равен току насыщения и в определенных пределах остается величиной практически постоянной. Обычно ток I₀ имеет величину порядка микроампер.

Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к пробою p-n перехода, при котором обратный ток резко увеличивается.

Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).

Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии (зинеровский пробой) и под действием ударной ионизации атомов полу-проводника (лавинный пробой). Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводниках аналогична электростатической эмиссии электронов из металла.

Сущность этого явления заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера в области p-n перехода. Двигаясь с большей скоростью на участке p-n перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их.

В результате такой ударной ионизации появляются свободные электроны и дырки, которые, в свою очередь, разгоняются полем и создают всевозрастающее количество носителей тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через p-n переход. Таким образом, чрезмерно увеличить такое напряжение нельзя. Если оно превысит максимально допустимую для данного p-n перехода величину (U_{обр max} на рис. 8.4.1), то участок p-n перехода пробьется, и p-n переход потеряет свойство односторонней проводимости (тепловой пробой).

Тепловой пробойp-n перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению концентрации не-основных носителей заряда и к росту обратного тока. Увеличение тока, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению температуры. Процесс нарастает лавинообразно.

Электрический и тепловой пробои p-n перехода во многих случаях происходят одновременно. При чрезмерном разогреве перехода, когда происходит изменение структуры кристалла. Переход необратимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющаяся на переходе, не-велика, то пробой обратим. В этом случае можно управлять обратным током путем изменения внешнего напряжения, подводимого к переходу.

Анализ вольтамперной характеристики p-n перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения (рис. 8.4.1). При увеличении прямого напряжения сопротивление p-n перехода уменьшается. С изменением полярности и величины приложенного напряжения сопротивление p-n перехода резко возрастает. Следовательно, прямая (линейная) зависимость между напряжением и током (закон Ома) для p-n переходов не соблюдается. Нелинейные свойства p-n переходов лежат в основе работы полупроводниковых приборов, использующихся для выпрямления переменного тока, преобразования частоты, ограничения амплитуд и т.д.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности