Обратное включение p - n перехода
Переход находится под обратным напряжением, если знаки клемм источника питания противоположны знакам ОНЗ соответствующих областей перехода.
p n
0НЗ
Ө
ОНЗ
ЕВН IОБР
ЕВНЕШН
о о
UОБР
– поле, вызванное потенциальным барьером перехода, находящимся в равновесном состоянии.
– поле, вызванное внешним источником питания 
.
Эти поля совпадают по направлению (сонаправлены), поэтому суммарное поле будет равно: 
.
Под действие суммарного поля ОНЗ начнут оттягиваться от границ перехода вглубь полупроводников. При этом толщина перехода, а, следовательно, и его сопротивление увеличатся, ток через такой контакт будет протекать очень незначительный.
Причем, этот ток будет образован движением ННЗ, т.е. будет являться дрейфовым током. Ток диффузии в данном случае будет стремиться к нулю. Таким образом, ток, протекающий через обратно смещенный переход, будет равен:
, где
-тепловой ток (т.к. этот ток сильно зависит от температуры, с ростом температуры он резко возрастает.).
Тепловой ток мал по величине, т.к. сопротивление обратно смещенного перехода велико.
Прямое включение p - n перехода
Переход находится под прямым напряжением, если знаки клемм источника питания совпадают со знаками ОНЗ соответствующих областей перехода.
p n
0НЗ
Ө
ОНЗ
ЕВН
IПР
ЕВНЕШН
о о
UПР
Суммарное поле перехода в данном случае будет равно:
, т.к. поля направлены навстречу друг другу.
Под действием суммарного поля ОНЗ начнут перемещаться в приконтактную область, увеличивая ее проводимость, а, следовательно, уменьшая сопротивление и толщину перехода.
Через такой контакт будет протекать большой ток. Причем, этот токбудет образован ОНЗ, т.е. будет являться диффузионным током. Током дрейфа в данном случае можно пренебречь, т.к. он много меньше тока диффузии. Таким образом, ток, протекающий через прямо смещенный переход, будет равен:
, где
- тепловой ток;
- основание натурального логарифма;
- заряд электрона;
- приложенное к переходу напряжение;
- постоянная Больцмана;
- температура (в градусах по Кельвину).
Как видно из формулы, ток через прямо смещенный переход изменяется поэкспоненциальному закону при изменении напряжения.
Вольт-амперная характеристика перехода
Выпрямляющий и омический контакты
Зависимость тока через переход от величины приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).
IПР, mA
 | |||
 | |||
IДИФ=IОНЗ
IО
UОБР, В 0 UПР, В
1В
IДР=IННЗ
IОБР, мкА
Прямая и обратная ветви ВАХ изображены в разных масштабах. При прямом включении перехода его сопротивление мало, поэтому ток через переход резко возрастает по экспоненте с ростом прямого напряжения. При обратном включении перехода его сопротивление велико, поэтому ток через переход будет мал и равен тепловому .
Прямое напряжение, подаваемое на переход, не должно превышать 1В!
Обратное напряжение, подаваемое на переход, может достигать 20В.
Вывод : p - n переход обладает односторонней проводимостью, т.е. проводит ток только в одном направлении – прямом.
Контакт с односторонней проводимостью называется выпрямляющимконтактом. Таким образом, p-n переход является выпрямляющим контактом.
Кроме выпрямляющих контактов существуют контакты металл-полупроводник (Ме-п/п), называемые омическими, т.к. ток, протекающий через такой контакт подчиняется закону Ома ( 
). Получают омические контакты путем напыления тонкой пленки металла на полупроводник. Характерная особенность омических контактов – пропускание тока в обоих направлениях (и прямом, и обратном). Омические контакты широко распространены в электронной технике, т.к. используются для присоединения внешних выводов к кристаллам полупроводников.
омический p n омический
контакт контакт
UПИТ
Емкости p - n перехода
Барьерная емкость
p n
do
do – толщина перехода
(Переход еще называют приконтактной областью или запирающим слоем).
В p - n переходе после диффузии основных носителей заряда в соседние области появляются избыточные ионы примеси (в p-области – отрицательные, в n-области – положительные), в результате чего p-область заряжается отрицательно, а n-область – положительно, т.е. возникает разность потенциалов (потенциальный барьер).
Данный переход можно рассматривать, как плоский конденсатор, обкладками которого являются p-и n-области, а диэлектриком – запирающий слой,имеющий повышенное сопротивление. Емкость такого конденсатора называется барьерной, т.к. она обусловлена наличием потенциального барьера.
–q +q
В равновесном состоянии перехода, т.е. когда ЕВНЕШН=0, барьерная емкость зависит от площади p-n перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и толщины запирающего слоя:
, где
- относительная и абсолютная диэлектрическая проницаемость.
При подаче обратного напряжения толщина перехода возрастает (обкладки конденсатора как бы раздвигаются), а, следовательно, емкость этого конденсатора уменьшается:
, где
- барьерная емкость перехода при наличии обратного напряжения;
- барьерная емкость перехода при отсутствии внешнего напряжения;
- потенциальный барьер перехода при отсутствии внешнего напряжения;
U ОБР - обратное напряжение, подаваемое на переход.
Диффузионная емкость
При прямом включении перехода возникает еще одна емкость – диффузионная.
Прямое напряжение, подаваемое на переход, обеспечивает более интенсивный процесс диффузии основных носителей заряда в соседние области. Это приводит к тому, что пришедшие в большом количестве в соседние области заряды не успевают прорекомбинировать с зарядами противоположного знака и накапливаются, образуя объемные заряды. Чем больше прямое напряжение, тем больше величина этих объемных зарядов.
p n
ОНЗ 
+ +
_ _ Ө ОНЗ + +
_ _
ЕВН
ЕВНЕШН
|
о о
Изменение объемного заряда в зависимости от приложенного прямого напряжения характеризует емкость, называемая диффузионной (т.к. обусловлена диффузией ОНЗ) и определяемая формулой:
или 
, где
- изменение прямого напряжения;
- изменение объемного заряда.
Пробой p - n перехода
Пробой – это резкое возрастание обратного тока перехода при условии, что обратное напряжение превысит максимально допустимое значение, т.е.
 |
справочная величина
Обратная ветвь ВАХ при пробое:
Uобрmax IО 0
UОБР
1 1- электрический пробой
2 - тепловой пробой
2
IОБР
Виды пробоев:
|
Обратимый Необратимый
процесс процесс
|
| ||||
|
|
Тепловой пробой
Тепловой пробой возникает за счет нарушения теплового баланса между теплом, которое выделяется в переходе, и теплом, котороеотводится (рассеивается корпусом прибора):
( 
количество теплоты)
С ростом обратного напряжения выделяемая в переходе мощность увеличивается 
, что приводит к разогреву перехода и усилению термогенерации (генерация, вызванная повышением температуры) пар носителей заряда, т.е. к увеличению концентрации ННЗ, а, следовательно, к росту обратного тока. Рост обратного тока сопровождается дальнейшим увеличением выделяемой мощности, т.е. большим разогревом перехода и более интенсивной термогенерацией и т.д., т.е. идет нарастающий процесс:
и т.д.
В итоге переход перегревается и разрушается (разрушается кристаллическая решетка) – процесс необратимый.
Процесс называется обратимым, если при уменьшении обратного напряжения до допустимого значения восстанавливается нормальный режим работы перехода, т.е. обратный ток принимает стационарное значение теплового тока 
.
Для обеспечения теплового режима полупроводниковых приборов используются радиаторы, изготавливаемые из материалов с высокой теплопроводностью (например, Al, Cu).
Электрический пробой
Тепловому пробою предшествует электрический пробой.
При электрическом пробое обратный ток перехода резко возрастает поддействием сильного электрического поля.
А) Лавинный пробой
Лавинный пробой возникает в так называемых «толстых» переходах. Под действием сильного электрического поля электроны, двигаясь с большой скоростью, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов кристаллической решетки.
Механизм ударной ионизации: свободный электрон, обладающий большой кинетической энергией, ударяясь о нейтральный атом, передает валентным электронам этого атома часть своей энергии, и они отрываются от атома, становясь свободными. Атом при этом ионизируется.
Возникшие в результате ионизации свободные электроны также разгоняются электрическим полем, ударяются о новые атомы кристаллической решетки и выбивают из них следующую партию электронов. Процесс нарастает лавинообразно (как снежный ком) – отсюда и название пробоя – «лавинный».
Для ударной ионизации необходимо поле с напряженностью:
В результате ударной ионизации возникает размножение НЗ, и обратный ток резко возрастает – возникает лавинный пробой.
На лавинном пробое работают такие полупроводниковые приборы, как стабилитроны, тиристоры, лавинные транзисторы и др.
Б) Туннельный пробой
Если напряженность электрического поля достигнет значения 
и переход будет очень тонкий (с толщиной запирающего слоя 
), возможен туннельный пробой – переход электронов из валентной зоны (ВЗ) одного полупроводника в зону проводимости (ЗП) другого полупроводника без изменения энергии.
Механизм туннельного пробоя:
Электрон, движущийся в сторону очень узкого перехода, под действием очень сильного поля пройдет через переход, как через туннель, и займет свободный уровень с такой же энергией по другую сторону перехода.
Таким образом, обязательным условием туннельного пробоя, кроме сильного поля и тонкого перехода, является наличие свободного уровня по другую сторону перехода. При этом ВЗ одного полупроводника должна находиться на одном уровне с ЗП другого полупроводника.
На туннельном пробое работают туннельные диоды.
Туннельный и лавинный пробои обратимы – снятие обратного напряжения полностью восстанавливает свойства p-n перехода.
Дата добавления: 2018-10-27; просмотров: 774; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!