Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода
Содержание
Термин «p-n переход» относится к границе, разделяющей части полупроводников, подвергнутые различным типам легирования (то есть добавления малых количеств примесей или создание дефектов структуры для изменения электрических свойств в нужном направлении). p-n переход является основой таких полупроводниковых элементов, как диод, транзистор, светодиод и солнечный элемент.
Устройство p-n-перехода
p-n переход состоит из двух зон: одна с избытком дырок (полупроводник p-проводимости) и другая с избытком электронов (полупроводник n-проводимости). Избыток электронов и дырок достигается путем легирования полупроводниковых материалов с использованием различных методов. Термин «переход» относится к области, где встречаются два типа легирования (дырочная и электронная).
Пограничная область между зонами p-проводимости и n-проводимости называется областью пространственного заряда, обедненной областью или запирающим слоем. У легированных полупроводников проводимость тем лучше, чем выше степень их легирования, а обедненная область обладает свойствами изолятора.
В этой области носители разных видов проводимости при сильном градиенте, обусловленным различным типом легирования, диффундируют в соседний полупроводник другого вида проводимости (генерируя ток диффузии), оставляя ионизированные атомы легирующих элементов некомпенсированными, что создает разность потенциалов и электрическое поле, которое вызывает противоток, направленный против тока диффузии. Постоянная разность потенциалов, создаваемая ионами легирующих элементов, называется запирающим напряжением (порядка 0.35 В для германиевых и 0.6 В для кремниевых переходов).
Ширина области пространственного заряда зависит от легирующих веществ и с каждой стороны обратно пропорциональна степени легирования полупроводников. Поскольку электрический заряд отрицательных ионов должен полностью компенсировать заряд положительных ионов, произведение концентрации акцепторных атомов (примесных атомов, способных захватывать электроны из зоны разрешенных энергетических состояний полупроводников) NA на ширину области p-проводимости Wp должно равняться произведению концентрации донорных атомов (т. е. отдающих свободные электроны) ND на ширину области n-проводимости Wn:
Внешнее напряжение, приложенное к p-n переходу, фактически влияет на его свойства, привлекая большее или меньшее количество носителей.
Суть вольтамперной характеристики
Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового p-n перехода представляет собой зависимость между напряжением на переходе и током через него. Она описывается экспоненциальной зависимостью:
На основании этого уравнения можно построить график ВАХ.
Нулевое внешнее напряжение
Когда к цепи не приложено внешнее напряжение, в ней не течет ток. Нулевое внешнее напряжение отображено на ВАХ полупроводникового p-n перехода точкой 0.
Прямое смещение
При прямом смещении полупроводниковый материал с p-проводимостью подключается к плюсу источника питания, а полупроводниковый материал n-проводимости — к минусу источника питания. При подобной полярности дырки из области p-проводимости и электроны из области n-проводимости выталкиваются к переходу, что уменьшает ширину обедненной зоны и понижение потенциального барьера.
Между потоками зарядов, пересекающих переход в противоположных направлениях, создается дисбаланс, а ток изменяется в зависимости от напряжения на переходе экспоненциально.
При увеличении напряжения зависимость тока Iпр от напряжения становится нелинейной. Ток с ростом напряжения растет со все большей крутизной (экспоненциально), поскольку преодолевается потенциальный барьер p-n-перехода (уменьшается сопротивление запирающего слоя).
Когда потенциальный барьер полностью преодолен (запирающий слой становится пренебрежимо малым), носители становятся свободными, а ВАХ линейной. Материал ведет себя как омический проводник, поскольку общее сопротивление определяется сопротивлением областей p- и n-проводимости.
Наблюдающуюся нелинейность можно объяснить нагревом областей с повышением тока и их отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
Зависимость тока от напряжения начинает определяться сопротивлением перехода, и ток в цепи резко возрастает. Так продолжается до тех пор, пока ток не превысит некоторое значение, при котором переход разрушается, возникает пробой. Поэтому в случае полупроводников не рекомендуется превышать номинальный ток.
Обратное смещение
Смещение на переходе меняется с прямого на обратное, если полупроводниковый материал p-проводимости подключается к отрицательному полюсу источника питания, а материал n-проводимости к положительному.
Дырки в области p-проводимости отталкиваются от спая, увеличивая ширину обедненной области. То же самое происходит и в области p-проводимости, где электроны отталкиваются от перехода, что увеличивает ширину обедненной области.
Напряжение обратной полярности, приложенное к переходу, почти полностью концентрируется на концах области пространственного заряда, повышая потенциальный барьер. Здесь также создается дисбаланс между потоками носителей пересекающих переход в противоположных направлениях. В результате возникает ток Iоб , экспоненциально изменяющийся в зависимости от приложенного напряжения. Однако экспонента не положительна, а отрицательна. Результирующий обратный ток слишком мал.
В условиях обратного смещения сопротивление перехода становится очень высоким, поэтому ток через него практически не течет, составляя на практике доли миллиампера.
С увеличением приложенного в обратном направлении напряжения обратный ток также растет, поскольку увеличивается кинетическая энергия миноритарных (менее распространенных в полупроводниках данного типа) носителей. Увеличение их кинетической энергии приводит к увеличению сопротивления барьера, что вызывает пробой перехода с резким уменьшением его сопротивления. При дальнейшем увеличении напряжения смещения переход окончательно повреждается. Напряжение, при котором p-n-переход разрушается, называется напряжением пробоя.
Вольтамперную характеристику можно получить экспериментально. На рисунке ниже показана схема снятия ВАХ.
Последовательно с p-n переходом подключен резистор R2 для ограничения роста прямого тока смещения Iпр в пределах допустимых значений. Напряжение на переходе регулируется потенциометром R1. Характеристическая кривая p-n перехода строится при нулевом внешнем напряжении, напряжении прямого смещения и напряжении обратного смещения. Переключатель П1 изменяет полярность напряжения на переходе, переключатель П2 включает прибор для измерения прямого или обратного тока.
Идеальная характеристика p-n перехода
Из поведения p-n перехода при прямом и обратном смещении выводится его идеальная вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость тока через переход от напряжения на нем:
Идеализация p-n перехода заключается в том, что области p и n, граничащие с переходом, имеют нулевое удельное сопротивление. Кроме того, в переходе отсутствуют процессы генерации и рекомбинации свободных носителей заряда.
На практике под действием тока p-n переход нагревается, поэтому ВАХ отличается от идеальной. Кроме того, в этой области происходит целый ряд физических процессов, среди которых поверхностные утечки тока, генерация и рекомбинация носителей, падение напряжения под действием сопротивления нейтральных областей, разные виды пробоев.
У реальной ВАХ угол наклона меньше, чем у теоретической. Она вырождается в прямую линию, когда сравниваются значения напряжения на запирающем слое и контактной разности потенциалов. При некотором значении обратного напряжения происходит один из трех видов пробоя. Туннельный и лавинный — это разновидности электрического пробоя, которые возникают при увеличении напряженности электрополя. Тепловой пробой случается, если происходит перегрев перехода.
Загрузка...
