Вольтамперная характеристика реального р-п перехода

Вольтамперная характеристика реального р-п перехода отличается от идеализированной. Это объясняется тем, что из-за введенных допущений при выводе расчетной вольтамперной характеристики (1) не учитывались целый ряд факторов. Эти факторы обуславливают отличие как прямой, так и обратной ветвей вольтамперной характеристики реального р-п перехода от идеализированной.

Прямая вольтамперная характеристика реального р-п перехода

На вид реальной вольтамперной характеристики р-п перехода в прямом направлении влияют три фактора: 1) явление рекомбинации носителей тока в запорном слое; 2) распределенное сопротивление базы, т.е. объемное сопротивление высокоомной области перехода и 3) модуляция сопротивления базовой области при высоких уровнях инжекции. Рассмотрим эти явления подробнее.

В области р-п перехода в реальных условиях протекают дополнительные токи за счет генерационно-рекомбинационных процессов, не учтенных при теоретических расчетах. В условии равновесия токи, возникающие за счет рекомбинации и генерации, равны друг другу и противоположно направлены и ток через переход остается равным нулю. При прямом смещении из-за инжекции основных носителей в области перехода резко возрастают концентрации неравновесных электронов и дырок. Это приводит к росту вероятности их рекомбинации и, тем самым, роста рекомбинационного тока. Рекомбинационный ток накладывается на инжекционный ток и вызывает рост прямого тока. Однако с ростом прямого напряжения вклад рекомбинационного тока в общий ток уменьшается и ток через переход определяется только током инжекции (рис.1).

С учетом рекомбинационного тока уравнение вольтамперной характеристики реального р-п перехода можно записать в виде:

,

где m – коэффициент неидеальности, который может принимать значения от 1 до 2. В случае преобладания инжекционной составляющей прямого тока m =1, а при преобладании рекомбинационной составляющей m =2.

При выводе вольтамперной характеристики предполагается, что все внешнее напряжение приложено к р-п переходу. В реальных несимметричных р-п переходах сопротивление базовой области может быть сравнимой с сопротивлением р-п перехода. Это приводит к перераспределению приложенного внешнего напряжения между р-п переходом и базовой областью: . Таким образом, к р-п переходу приложено только часть внешнего напряжения , что приводит к уменьшению прямого тока: вольтамперная характеристика смещается вправо (рис.2,а).

Вольтамперная характеристика реального р-п перехода с учетом сопротивления базы примет вид:

.

При малых токах I влиянием сопротивления базы можно пренебречь. Однако с ростом прямого тока падение напряжения на р-п переходе уменьшается, а падение напряжения на сопротивлении базы увеличивается и при больших прямых токах ток может определяться только сопротивлением базовой области. При этом вольтамперная характеристика р-п перехода практически становится линейной (омический участок) (см. рис. 3,а). Необходимо учесть, что из-за наличия сопротивления базы и падения напряжения на нем ухудшается выпрямляющее свойство р-п перехода и возрастает мощность, рассеиваемая на р-п переходе.

Обратная вольтамперная характеристика реального р-п перехода

Величина обратного тока в реальных р-п переходах отличается от расчетной также за счет трех факторов: 1) из-за тока термогенерация в запорном слое перехода; 2) из-за поверхностных токов утечки на переходе и 3) из-за явления пробоя перехода при больших обратных напряжениях.

При обратном напряжении на р-п переходе возрастает его ширина и высота потенциального барьера. Рекомбинационный ток практически равен нулю, так как инжекция носителей тока не происходит. Зато за счет расширения обедненного слоя

возрастает вероятность генерации электронно-дырочной пары. Такая генерация может происходить за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости как через запрещенную зону полупроводника в области перехода, так и за счет переброса через локальные уровни, что более вероятно. Возникающие при генерации свободные дырки и электроны разделяются электрическим полем перехода так, что электроны переводятся в п - область, а дырки в р - область, создавая дополнительный обратный ток . Расчеты показывают, что этот ток прямо пропорционально объему р-п перехода и скорости тепловой генерации собственных носителей :

,

где - ширина р-п перехода при обратном смещении, - ширина р-п перехода в отсутствии внешнего напряжения.

В реальных р-п переходах из-за технологических особенностей граница перехода обязательно выходит на поверхность. Как известно, на поверхности полупроводника возникают поверхностные состояния за счет различных факторов. В связи с этим состояние поверхности оказывает влияние на вид реальной ВАХ-ки р-п перехода. Это влияние особенно сильно сказывается на обратных токах из-за его малой величины. Поверхностные заряды, имеющиеся на поверхностных состояниях, и возможные загрязнения поверхности приводит к образованию каналов проводимости между областями р-п перехода и протекания токов утечки Ток утечки растет линейно с напряжением и может даже превышать ток генерации. Таким образом, при обратных напряжениях на переходе величина обратного тока составит:

.

На рисунке 3,б приведены вольтамперные характеристики обратной ветви р-п перехода с учетом рассмотренных факторов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Численные значения некоторых физических величин.

Заряд электрона

Масса свободного электрона

Скорость света

Постоянная Планка

Постоянная Больцмана

Диэлектрическая постоянная вакуума

Магнитная постоянная вакуума

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Некоторые физические параметры полупроводников при Т =300К.

Параметр	Ge	Si	GaAs	InP	InSb
Ширина запрещенной зоны	0,7	1,1	1,43	1,35	О,18
Относительная диэлектрическая проницаемость
Относительная эффективная масса электронов	1,64	0,98	0,067	0,078	0,015
Относительная эффективная масса дырок	0,04	0,16	0,082	0,64	0,4
Собственная концентрация электронов

Рекомендуемая литература.

а) основная литература:

1. Гарифуллин Н.М. Физические основы электроники. Учебное пособие. –Уфа, 2005.-170с.

2. Шалимова К.В. Физика полупроводников. Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1983.- 392с.

3. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Учебное пособие для вузов. Под ред. Н.Д.Федорова.- М.: Радио и связь,1998.-560с.

б) дополнительная литература:

1. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. Учебник для вузов.-М.: Высш. шк., 1979.-448с.

2. Фридрихов С.А., Мовнин С.Н. Физические основы электронной техники. Учебник для вузов.-М.: Высш. шк., 1982.-608с.

3. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников. Учебное пособие для вузов.-М.:Высш. шк., 1975.-296с.

Епифанов Г.Н. Физические основы микроэлектроники. Учебное пособие для вузов.-М.: Советское радио