Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода

Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода отличается от теоретической характеристики. Это связано с тем, что в его теоретической вольтамперной характеристике не учитывается сопротивление p- и n-областей полупроводника, утечки тока по поверхности полупроводника, генерация электронов и "дырок" непосредственно в запирающем слое p-n перехода. Кроме того, при достаточно больших значениях обратного напряжения, происходит пробой p-n перехода.

Для того чтобы снять прямую ветвь вольтамперной характеристики p-n перехода, используются схемы, подобные принципиальной схеме эксперимента, приведенной на рисунке 1.

Схема для снятия прямой ветви реальной ВАХ диода
Рисунок 1. Схема эксперимента для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода

Здесь для измерения тока диода используется миллиамперметр mA, а напряжение на диоде измеряется вольтметром V. При измерении точек обратной ветви ВАХ — схема, приведенная на рисунке 2.

Схема для снятия обратной ветви реальной ВАХ диода
Рисунок 2. Схема эксперимента для снятия обратной ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода

Обратные токи полупроводникового диода обычно очень малы, поэтому измерения обратной ветви его вольтамперной характеристики ведутся микроамперметром. Для устранения влияния внутреннего сопротивления вольтметра на точность измерений его ставят до микроамперметра. Вольтамперная характеристика, снятая таким образом, и совмещённая с теоретической, на одном графике приведена на рисунке 3.

Реальная вольт-амперная характеристика диода
Рисунок 3. Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода

Обратите внимание, что туннельный пробой возникает при меньших напряжениях по сравнению с лавинным пробоем. Туннельный пробой происходит обычно при напряжениях меньше 6 В. Лавинный пробой p n перехода начинается при напряжениях, превышающих 6 В.

На графике прямой ветви реальной вольтамперной характеристики видно, что сопротивление открытого диода больше сопротивления, определяемого по теоретической кривой. Как уже упоминалось выше, это связано с влиянием объёмного сопротивления n- и p-областей полупроводника. Так как ток протекает последовательно по этим областям и p-n переходу, то на эквивалентной схеме сопротивления соединены последовательно, как это показано на рисунке 4.

Эквивалентная схема полупроводникового диода
Рисунок 4. Эквивалентная схема полупроводникового диода

Так как сопротивления p- и n-областей полупроводника линейны, то их можно объединить в одно сопротивление r1. Теоретическая вольт-амперная характеристика p-n перехода определяется уравнением Эберса-Молла:

формула прямого тока pn-перехода,        (1)

Это фактически экспонента, поэтому в прямом направлении, при увеличении напряжения, сопротивление p-n перехода очень быстро принимает нулевое значение. В результате сопротивление реального диода при достаточно больших напряжениях (больше напряжения Uк) будет определяться омическим сопротивлением r1. В области малых напряжений сопротивление p-n перехода больше r1, поэтому сопротивление диода будет совпадать с сопротивлением rпер. В результате прямую ветвь вольтамперной характеристики диода часто аппроксимируют квадратичной зависимостью при малых уровнях сигнала или линейной зависимостью при больших уровнях сигнала.

При обратном включении диода вид его вольтамперной характеристики отличается от теоретической характеристики из-за двух причин. Это генерация носителей зарядов в p-n переходе и его электрический пробой.

Количество носителей заряда, генерируемых в электронно-дырочном переходе, пропорционально объему запирающего слоя. Он, в свою очередь, зависит от ширины p-n перехода, но так как она пропорциональна , то ток генерации свободных зарядов Iген будет расти при увеличении обратного напряжения. Поэтому при увеличении обратного напряжения на вольтамперной характеристике реального диода наблюдается небольшой рост обратного тока. Кроме того, обратный ток диода увеличивается из-за тока утечки по поверхности кристалла.

При достижении достаточно большого обратного напряжения происходит резкое возрастание обратного тока из-за пробоя p-n перехода. Пробой перехода бывает трёх видов: туннельный, лавинный и тепловой. Туннельный и лавинный пробой не разрушают p-n переход. Эти виды пробоя связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, поэтому они называются электрическим пробоем. Тепловой пробой возникает из-за перегрева электронно-дырочного перехода. В результате теплового пробоя p-n переход разрушается, и диод выходит из строя. Тем не менее, его можно избежать, ограничив ток через диод внешним сопротивлением.

Туннельный пробой обусловлен прямым переходом электронов из валентной зоны полупроводника одного типа в зону проводимости другого, что становится возможным, если напряженность электрического поля в кремниевом p-n переходе достигает значения 4·105 В/см. В кристалле германия туннельный пробой возникает при меньших значениях напряжённости поля — 2·105 В/см. Такая большая напряженность электрического поля возникает при высокой концентрации примесей в p- и n-областях полупроводникового кристалла, когда толщина p-n перехода становится очень маленькой. Под действием сильного электрического поля валентные электроны вырываются из связей. При этом образуются парные заряды электрон-дырка, увеличивающие обратный ток через переход.

Энергетические зоны полупроводника в районе p-n перехода при туннельном пробое показаны на рисунке 5. На этом же рисунке показано образование пар электрон-дырка.

Энергетические зоны полупроводника в районе p-n перехода при туннельном пробое
Рисунок 5. Энергетические зоны полупроводника в районе p-n перехода при туннельном пробое

Лавинный пробой возникает в широких p-n переходах, образованных полупроводниками с небольшой концентрацией примесей. Он возникает тогда, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины p-n перехода. Если за время свободного пробега электроны приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов в p-n переходе, то происходит лавинное размножение носителей заряда.

Этот процесс показан на рисунке 6. Так как при ионизации одновременно образуется пара электрон-дырка, то в нижней части этого рисунка показано возникновение в переходе "дырок".

Энергетические зоны полупроводника в районе p-n перехода при туннельном пробое
Рисунок 6. Энергетические зоны полупроводника в районе p-n перехода при туннельном пробое

Образовавшиеся в результате ударной ионизации свободные носители заряда приводят к резкому возрастанию обратного тока электронно-дырочного перехода. Увеличение тока при лавинном процессе описывается коэффициентом лавинного умножения М:

формула коэффициента лавинного умножения,        (2)
где UПРОБ — напряжение начала пробоя; 
    m —    зависит от материала полупроводника.

Тепловой пробой вызывается значительным ростом количества носителей зарядов в p-n переходе из-за нарушения теплового режима. Подводимая к p-n переходу мощность Рподв = IобрUобр расходуется на его нагрев.

Выделяющаяся в запирающем слое теплота отводится преимущественно за счет теплопроводности. Отводимая от p-n перехода мощность Ротв пропорциональна разности температур перехода Tпер и окружающей среды Токр:

формула отводимой тепловой мощности,        (3)

где Rт — тепловое сопротивление, °К/Вт, определяющее перепад температур, необходимый для отвода 1 Вт мощности от p-n перехода в окружающую среду.

При плохих условиях отвода теплоты от перехода происходит его разогрев до температуры, при которой возникает тепловая ионизация атомов. Образующиеся при этом носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к дальнейшему разогреву перехода. В результате такого нарастающего процесса p-n переход перегревается и возникает тепловой пробой, разрушающий структуру кристалла.

Выводы:

  • Прямая ветвь реальной вольтамперной характеристики диода в начале описывается экспоненциальной функцией, а затем полностью определяется омическим сопротивлением полупроводника.
  • Обратный ток реальной вольтамперной характеристики растет из за генерации носителей в запирающем слое p-n перехода.
  • При определённом обратном напряжении происходит пробой p-n перехода.

Дата последнего обновления файла 18.08.2020

Литература:

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  3. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  4. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  5. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.
  6. Колосницын Б. С. Гапоненко Н. В. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебное пособие: в 2 ч. Ч. 1: Физика активных элементов интегральных микросхем — Минск: БГУИР, 2016. — 196 с.

Вместе со статьей "Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода" читают:

Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/

Прямое включение pn-перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/open/

Обратное включение pn-перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/close/

Теоретическая вольтамперная характеристика p-n перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/vah_teor/

Ёмкость pn-перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/c/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2020

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 82 научных и научно-методических работ, в том числе 18 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика