4.5. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Зависимость тока через p-n-переход от приложенного напряжения I = f(U), соответствующая формуле (4.1), есть теоретическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода (рис. 4.4).

При подаче на p-n-переход обратного напряжения ток I быстро достигает значения, равного I_о, и затем при повышении обратного напряжения остается практически постоянным. Например, при U < 0 ток I = – I_о, если (|U|e/kT) << 1, т.е. если |U| > (3  4)kT/e. При нормальной температуре kT/e  0,025 B, поэтому это условие выполняется уже при |U| > 0,1 B.

Так как неосновных носителей в областях p и n мало, то при обратном включении ток I, обусловленный только неосновными носителями, мал.

При подаче на p-n-переход прямого напряжения ток I с увеличением U возрастает по экспоненте и уже при U > 0,1 – 0,2 В может превышать значение I_о на много порядков. Так как основных носителей в областях p и n много, то при прямом включении обусловленный основными носителями ток будет большим.

Вольтамперная характеристика p-n-перехода существенно зависит от температуры перехода. При увеличении температуры растет концентрация неосновных носителей и резко возрастает обратный ток перехода I_о. В идеальных германиевых p-n-переходах при увеличении температуры на каждые 10 ^оC обратный ток удваивается. И хотя в кремниевых переходах эта зависимость еще большая, но абсолютные значения I_о у кремниевых переходов значительно меньше.

Зависимость прямой ветви ВАХ от температуры по формуле (4.1) определяется изменением теплового тока I_о и показателем экспоненты. При малом прямом смещении прямой ток p-n-перехода возрастает с увеличением температуры из-за увеличения обратного тока I_о. При больших напряжениях, т.е. при больших прямых токах, основную роль играет проводимость полупроводника, которая уменьшается с увеличением температуры, поэтому прямые ветви ВАХ изменяются относительно мало.

Рис. 4.4. Вольтамперная характеристика p-n-перехода: ——— зависимость при нормальной температуре Т1; – – – – зависимость при повышенной температуре Т2; Т2 > Т1

От идеального p-n-перехода реальный переход будет отличаться следующим:

1. Реальный переход имеет конечные размеры и поэтому по некоторому контуру выходит на поверхность полупроводника. Это означает, что в реальном переходе необходимо рассматривать влияние процессов на поверхности полупроводника на его свойства.

2. При рассмотрении идеального перехода не учитывалось, что при приложении внешнего напряжения часть его падает в объеме полупроводника за пределами p-n-перехода.

В реальных переходах обратный ток состоит из нескольких слагаемых. В первую очередь к тепловому току I_о могут добавляться токи утечки и канальные токи.

Токи утечки являются следствием проводимости по поверхности. Например, ничтожно малое количество воды, попадающее на поверхность реального кристалла, создает проводимость, возникают токи утечки при обратном включении и наблюдается нестабильность обратного тока во времени. В процессе изготовления полупроводниковых приборов применяют специальные меры, чтобы значительно уменьшить величину тока утечки и его влияние на параметры.

Кроме воды на реальной поверхности полупроводникового кристалла могут адсорбироваться другие вещества, создавая заряды обоих знаков. Например, пары ацетона и воды на поверхности германия образуют положительный заряд, а кислород, хлор – отрицательный.

Отрицательные заряды на поверхности, например n-области p-n-перехода, притягивают дырки из объема полупроводника и отталкивают электроны, т.е. в приповерхностной области образуется слой, где концентрация дырок превышает концентрацию электронов. Этот слой, называемый инверсным, с n-областью образует дополнительный p-n-переход. Такие инверсные слои вблизи поверхности называют каналами, а токи через образованный p-n-переход – канальными.

С образованием канала увеличивается площадь перехода S, возрастают токи диффузии и дрейфа. Образование каналов приводит к увеличению теплового тока p-n-перехода при его обратном включении.

ВАХ p-n-перехода при прямом включении можно условно разделить на три участка в соответствии с величиной протекающего через переход тока. На участке малых токов реальная характеристика I = f(U), расположенная несколько ниже теоретической (идеальной), рост тока I с увеличением U замедлен из-за рекомбинации дырок и электронов в реальном p-n-переходе. На участке средних токов реальная и теоретическая характеристики практически совпадают, так как ток инжекции значительно превышает канальный ток и ток рекомбинации. На участке больших токов реальная кривая расположена ниже теоретической, так как существенно увеличивается падение напряжения в объеме полупроводника. Формула для вольт-амперной характеристики в этом случае приобретает вид

,

где ir – величина напряжения, падающая на сопротивлении объема полупроводника.

Действие сопротивления объема полупроводника, включенного последовательно с сопротивлением перехода, проявляется в том, что прямая ветвь ВАХ при больших токах описывается уже не экспоненциально, а близко к линейному закону.