Запирающее состояние p-n перехода (обратное включение p-n перехода)

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Запирающее состояние перехода получается в том случае, когда к р области подключён минус источника питания, а к n области — плюс (рис. 3.3). В этом случае потенциальный барьер увеличивается на величину внешнего напряжения.

Увеличивается и напряжённость собственного электрического поля, так как поле внешнего источника совпадает с собственным полем. Высота потенциального барьера возрастает, вследствие чего плотность потока основных носителей через переход уменьшится. Для неосновных носителей, т.е. для дырок в n области и для электронов в p области, потенциальный барьер в переходе вообще отсутствует. Неосновные носители заряда будут втягиваться электрическим полем источника в p-n переход и проходить через переход в смежную область (будет происходить экстракция носителей зарядов). Потенциальный барьер могут преодолеть лишь некоторые основные носители с большой энергией, и диффузионный ток практически отсутствует. Ток через переход имеет обратное направление — от электронной области к дырочной, а во внешней цепи, как всегда, от плюса источника питания к минусу. Обратный ток создаётся за счёт движения (дрейфа) неосновных носителей, для которых данное поле ускоряющее. Это ток дрейфовый, величина его мала из-за малой концентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к p-n переходу областях. Сопротивление и ширина запирающего слоя значительно возрастают, так как в p-n переходе практически отсутствуют основные носители зарядов.

I _{перехода} = I _{дрейфовый} + I _{диффузионный} >0. (3.1)

Вольт-амперная характеристика будет имеет похожий вид, но в отличии от вольт-амперной характеристики в прямом направлении U _обр и I _обр будут иметь противоположную полярность и кроме того U _обр значительно больше U _бар и I _обр значительно меньше I _пр.

Виды пробоев электронно-дырочного перехода

При превышении определенного уровня U_обр обратный ток реального р-п перехода быстро увеличивается, т. е. наступает пробой. Под пробоем р-п перехода понимается явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Все разновидности пробоя р-п перехода можно разделить на две основные группы пробоев: электрические и тепловые. Электрические пробои связаны с увеличением напряженности электрического поля в запорном слое р-п перехода, а тепловые - с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

Рассмотрим, прежде всего, основные разновидности электрического пробоя: полевой (зенеровский), лавинный и поверхностный. Вид ВАХ электрического пробоя представлен на рис. 1.5. Основное внешнее отличие разновидностей электрического пробоя проявляется в величинах пробивного напряжения.

Пробой электронно-дырочного перехода — это явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением критического значения, переход теряет свойство односторонней проводимости. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают три вида пробоя p-n перехода.

Лавинный пробой.Возникает за счёт ударной ионизации в структурах с большой шириной p-n перехода и изготовленных из материалов с высоким удельным сопротивлением базы. Процесс ионизации нейтральных атомов сопровождается разрывом валентных связей и образованием новых свободных пар электрон-дырка. В результате ударной ионизации этот процесс может многократно повториться под действием новых свободных носителей заряда. В результате образование новых пар приобретает лавинный характер, перерастая в пробой p-n перехода. Лавинный пробой характеризуется быстрым ростом обратного тока (рис. 3.4, кривая 1) при практически неизменном обратном напряжении.

В узких р-п переходах при относительно небольших обратных напряжениях (U ≤ 7В) обычно возникает полевой пробой (Зенеровский пробой). В основе полевого пробоя могут лежать несколько эффектов. Так, под действием большой напряженности электрического поля становится возможной генерация носителей заряда энергиями меньше ε₃. При малых пробивных напряжениях основным эффектом, определяющим развитие полевого пробоя, становится туннельный. Электрический пробой, возникающий под действием этого эффекта, часто называют туннельным.

Тепловой пробой p-n перехода.При электрическом пробое происходит увеличение тока. Если этот ток не ограничить, то под действием выделившегося тепла начнёт разрушаться p-n переход, т.е. наступит тепловой пробой. Этот процесс необратимый.

Один из важнейших параметров полупроводниковых приборов с p-n переходами — допустимое обратное напряжение, при котором сохраняется свойство односторонней проводимости. Превышение величины обратного напряжения может привести к необратимому тепловому пробою p-n перехода и, следовательно, к выходу из строя полупроводникового прибора. Пробивное напряжение при тепловом механизме пробоя уменьшается с ростом температуры окружающей среды и ухудшением условий теплоотвода. Чем меньше обратный ток в переходе, тем выше пробивное напряжение. Например, кремниевые переходы имеют очень малые тепловые токи. Поэтому тепловой пробой у них менее вероятен.

Ёмкость p-n перехода

По обе стороны границы электронно-дырочного перехода действуют различные по знаку объёмные электрические заряды. Значение объёмных зарядов в самом переходе и за его пределами зависит от полярности и значения внешнего напряжения, приложенного к переходу.

В связи с этим в электронно-дырочном переходе различают ёмкости двух видов. Одна из них С_бар (С₀) называется барьерной ёмкостью, так как зависит от величины потенциального барьера, приложенного к p-n переходу. Барьерная ёмкость может быть определена как ёмкость плоского конденсатора, в котором диэлектриком служит запирающий слой, а обкладками токопроводящие слоиp и n областей перехода. С увеличением обратного напряжения расширяется запирающий слой и ёмкость уменьшается (см. рис. 3.5). Для уменьшения ёмкости следует уменьшить площадь p-n перехода.

Помимо барьерной ёмкости, в переходе имеется диффузионная ёмкость С_диф, обусловленная явлением диффузии, т.е. накоплением неосновных носителей в p-n областях, что равноценно наличию ёмкости в p-n переходе. Диффузионная ёмкость зависит от значения прямого тока в переходе, времени жизни неосновных носителей. С увеличением прямого напряжения увеличивается прямой ток в переходе, следовательно, и избыточная концентрация неосновных носителей зарядов. Чем больше время жизни неосновных носителей, тем дольше существует избыточный заряд и больше диффузионная ёмкость.

При прямом смещении перехода преобладающее значение имеет диффузионная ёмкость перехода, а при обратных — барьерная. На низких частотах диффузионная ёмкость может достигать тысяч пико-фарад и превышать барьерную, а на высоких — оказаться ниже барьерной из-за инерционности процесса накопления зарядов в областях.

Обе ёмкости - барьерная и диффузионная - параллельно включённые запирающему сопротивлению перехода.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются проводники, полупроводники и изоляторы основываясь на энергетической модели атома?

2. Какие примеси называются акцепторными?

3. Как влияет температура на свойства полупроводника?

4. Какие примеси называются донорными?

5. Что называется р-n -переходом?

6. Как работает р-n -переход при прямом подключении батареи?

7. Как работает р-n -переход при обратном подключении батареи?

8. Чем отличается барьерная и диффузионная ёмкости?

Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 177; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!