Материал: UnEncrypted

зворотної гілок, оскільки в масштабі, в якому нанесений прямий струм,

графік для зворотного струму злився б з віссю абсцис. Насправді, при Vзв= = -0,5В, jзв = js; при Vпр = 0,5 В jзв jsе20, оскільки при Т = 300К

kТ = 0,025 еВ. Відношення jпр/jзв 540-8, що свідчить про те, що р-n- перехід має практично односторонню (уніполярну) провідність, проявляючи високі випрямні властивості.

Активний опір р-n-переходу постійному струму легко визначити з

де I = jS – струм, який протікає через р-n-перехід; S – площа

переходу.

З (6.27) видно, що опір р-n-переходу залежить від зовнішнього зсуву V, визначального величину струму І, який протікає через перехід. Це свідчить про те, що активний опір р-n-переходу є істотно нелінійною величиною: в різних точках своєї ВАХ, визначуваних прикладеним зсувом, р-n-перехід має різні опори.

Важливою характеристикою переходу є його диференціальний опір Rдиф виражаючий опір переходу в даній точці ВАХ проходженню малого

змінного сигналу. Цей опір можна знайти диференціюючи рівняння ВАХ

(6.26):

де V0 – постійний зсув, що визначає робочу точку на ВАХ.

Одержана формула (6.28) справедлива для відносно низькочастотного змінного сигналу, при проходженні якого в р-n-переході встигають протікати всі перехідні процеси і встановлюватися стаціонарні розподіли неосновних і основних носіїв, що докладніше буде розглянуте в наступному розділі.

Слід вказати, що область застосування рівняння ВАХ (6.26) обмежується для прямих зсувів напругами, при яких ще існує потенціальний бар'єр переходу (qV=j0) і його опір набагато більший опору n- і р-областей напівпровідника. Для зворотних зміщень це рівняння виконується до напруг, менших пробивних. Крім того, при виведенні цього рівняння ми нехтували тепловою генерацією і рекомбінацією носіїв заряду в самому шарі об'ємного заряду, вважаючи його вузьким. Нарешті при практичному використовуванні виразу (6.26) треба пам'ятати, що температура Т, яка входить в цей вираз, є температурою р-n-переходу і яка в процесі його роботи може істотно відрізнятися від температури навколишнього середовища.

75

Струм насичення р-n-переходу дуже залежить від температури. В

pn0 = ni2 / nn0 = ni2 / NД . Оскільки ni2~ exp(-Eg/kT) то з підвищенням тем-

ператури струм насичення р-n-переходу різко збільшується і його випрямні властивості погіршуються. Відбувається також зниження рівноважного потенціального бар'єра переходу j0 = kT ln(pp0/pn0) = = kT·ln(nn0/np0). При температурі, при якій nn0 np0 nt, р-n-перехід

зникає. Ця температура тим вища, чим ширша заборонена зона напівпровідникаі чим сильніше він легований.

Випрямні властивості р-n-переходу використовуються в напівпровідникових діодах, призначених для випрямляння змінного струму в схемах живлення радіоапаратури, в схемах автоматики і електротехніки. Такі діоди називають силовими. Вони складаються з р-n- переходу 1, пасивних областей 2 і, 3, які мають опір r , і омічних контактів 4 (рис 6.13). Високоомна область діода називається базою. При зворотному зсуві і при не дуже великих прямих зсувах опір р-n- переходу набагато більший r і тому останнє можна не враховувати. Воно виявляється лише при прямих зсувах Vпр при яких потенціальний

76

бар'єр в р-n-переході зникає і основна частина прикладеної напруги спадає на пасивних областях діода.

У наш час матеріалом для силових діодів служать майже виключно германій і кремній. ККД таких діодів наближається до 100%, що в поєднанні з їх малими масою і габаритами, стійкістю до вібрації і іншими цінними якостями забезпечило їм широке практичне застосування. При побудові діодів на великі струми основна проблема полягає в забезпеченні ефективного відведення тепла від р-n-переходу, оскільки при нагріванні переходу погіршуються його випрямні властивості. Тому силові діоди для середніх і великих потужностей виготовляються з радіаторами охолоджування, а іноді застосовується примусове охолоджування – повітряне, водяне або масляне.

6.7 Імпульсні і високочастотні властивості р-п-переходу

Імпульсні властивості. Іншою вельми широкою областю застосування напівпровідникових діодів є імпульсні схеми радіоелектроніки, обчислювальної техніки і автоматики. Основним параметром, що визначає придатність діодів для цієї мети, є їх швидкодія, що характеризується тривалістю перемикання р-n-переходу з прямого зсуву на зворотний і, навпаки, із зворотного на прямий.

Розглянемо якими процесами, що протікають в р-n-переході, визначається цей параметр. На рис. 6.14, а схемно показано розподіл основних і неосновних носіїв в р- і n-областях напівпровідника при рівноважному стані р-n-переходу. При поданні на діод прямого зсуву V потенціальний бар'єр переходу знижується на величину qV і потік

основних носіїв через р-n-перехід збільшується в exp(qV / kT ) раз, унаслідок чого концентрації дірок біля межі 2 n-області і електрони біля межі 1 р-області (див. рис. 6.14, б) зростають до

pn (0) = pn0 exp(qV / kT ), np (0) = np0 exp(qV / kT ) .

Дірки, що перейшли в n-область, і електрони, що перейшли в р- область, стають в цих областях неосновними носіями.

Таким чином, під дією прямого зсуву відбувається ніби «вприскування» неосновних носіїв через межі р-n переходу у відповідні області напівпровідника. Це явище одержало назву інжекції неосновних носіїв.

Дірки, інжектовані в n-область, притягують до себе електрони з об'єму цієї області, внаслідок чого концентрація електронів поблизу р-n- переходу підвищується в порівнянні з концентрацією в об'ємі (рис. 6.14, б). Негативний заряд притягуючих електронів екранує позитивний заряд надмірних дірок.

77

Така ж картина спостерігається і в р-області: позитивний заряд притягуючих дірок екранує негативний заряд інжектованих електронів. Тому надмірні дірки і електрони, інжектовані відповідно в n- і в р-області, не створюють в них об'ємних зарядів, які своїм полем могли б перешкоджати руху неосновних носіїв в об'єм напівпровідника, що не компенсується. Переміщення цих носіїв в глиб напівпровідника здійснюється виключно шляхом дифузії, швидкість якої пропорційна градієнту концентрації дірок

dpn / dx у n-області і градієнту концентрації електронів dnp / dx у р- області.

Таким чином, при перемиканні діода в ньому протікають перехідні процеси (накопичення неосновних носіїв при прямому зсуві і розсмоктування їх при зворотному зсуві), які і обмежують його швидкодію. Оскільки ці процеси завершуються в основному житті надмірних неосновних носіїв t той цей час і визначає швидкодію імпульсних діодів.

78

З розглянутої картини виходить, що відносно перемикання діод поводиться як опір R , створений областю об'ємного заряду, і зашунтований ємністю СД, обумовленою накопиченням заряду неосновних носіїв при прямому зсуві і розсмоктуванням його при зворотному зсуві. Цю ємність називають дифузійною ємністю р-n-переходу. При поданні прямого зсуву струм в діоді в початковий момент є в основному струмом заряду ємності СД і за своєю величиною може бути великим. При перемиканні діода в зворотний напрям зворотний струм є в початковий момент в основному струмом розряду ємності Сд і також може бути великим.

Як показує розрахунок, для малого змінного сигналу

струми j і js, які протікають через перехід, практично рівні jp і jps, відповідно

і

З (6.29) – (6.31) витікає, що для зменшення СД і підвищення швидкодії діодів необхідно зменшувати час життя надмірних неосновних носіїв t, легуючи n- і р-області домішкою, що створює ефективні рекомбінаційні центри. Такою домішкою є, зокрема, золото, легування яким дозволяє знизити t до декількох наносекунд.

Частотні властивості р-n-переходу. Крім дифузійної ємності,

електронно-дірковий перехід має ще так звану бар'єрну або зарядну ємність, пов'язану із зміною величини об'ємного заряду р-n-переходу під впливом зовнішньогозсуву.

Підвищення потеаціального бар'єра р-n-переходу при зворотному зсуві відбувається за рахунок розширення шару об'ємного заряду (рис. 6.11, д).

Прямий зсув викликає приток основних носіїв до області об'ємного заряду (рис. 6.11, г), в результаті якого заряди, створені зовнішнім джерелом ЕРС на омічних контактах, переносяться до р-n-переходу і звужують його (на рис. 6.11, г звуження р-n-переходу показано штриховкою).

79