Характеристики p-n-перехода

Определение p-n-перехода

Электронно-дырочным переходом или просто p-n-переходом называют контакт двух полупроводников с различным типом проводимости, осуществленный в едином монокристалле полупроводникового материала.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) представляет собой график зависимости тока во внешней цепи p-n-перехода от величины и полярности приложенного к нему напряжения. Эта зависимость может быть получена экспериментально или рассчитана на основании уравнения непрерывности. Уравнение позволяет рассчитать вольт-амперную характеристику тонкого электронно-дырочного перехода, в котором отсутствуют генерация и рекомбинация носителей заряда. Уравнение теоретической вольт-амперной характеристики имеет вид:

где \(I_0\) — обратный (тепловой) ток p-n-перехода; \(\phi_T\) — температурный потенциал (\(\phi_T = \frac{kT}{q} \approx 26\) мВ); \(U\) — напряжение на p-n-переходе.

Теоретическая вольт-амперная характеристика p-n-перехода, построенная на основании уравнения (1.1), показана на рис. 1.

Рис. 1 - Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Правая часть ВАХ соответствует прямому включению p-n-перехода, левая — обратному включению.

При прямом включении, когда \(U > 0\), единицей в уравнении можно пренебречь и зависимость \(I = f(U)\) имеет экспоненциальный характер:

С увеличением приложенного напряжения ток через переход растет.

При обратном включении величиной \(e^{-\frac{U}{\phi_T}}\), ввиду малости, можно пренебречь и тогда ток \(I = I_{\text{обр}} \approx -I_0\).

Емкость p-n-перехода

Изменение внешнего напряжения на переходе будет приводить к изменению накопленного в нем заряда \(dQ\).

Но любому изменению заряда можно поставить в соответствие изменение заряда в некотором конденсаторе емкостью:

т. е. p-n-переход обладает емкостью и ведет себя, подобно конденсатору. При этом роль диэлектрика в таком конденсаторе выполняет тонкий слой полупроводникового материала на границе перехода. Этот слой обеднен основными носителями заряда и поэтому имеет высокое удельное сопротивление.

Роль обкладок конденсатора выполняют объемные пространственные заряды, располагаемые по обе стороны от границы перехода.

Общая емкость перехода определяется следующим соотношением:

где \(C_{\text{диф}}\), \(C_{\text{бар}}\) — диффузная и барьерная емкость p-n-перехода.

Барьерная (зарядная) емкость определяется изменением нескомпенсированных зарядов ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения.

Величина барьерной емкости определяется следующим соотношением:

где \(C_0\) — емкость перехода при \(U_{\text{обр}} = 0\).

Из приведенного соотношения видно, что при увеличении \(U_{\text{обр}}\) емкость p-n-перехода уменьшается. Это можно объяснить тем, что при увеличении обратного напряжения ширина обедненного слоя перехода увеличивается, что соответствует увеличению расстояния между обкладками конденсатора и, следовательно, уменьшению емкости:

где \(А\) — площадь перехода; \(d\) — ширина обедненного слоя.

Диффузионная емкость перехода определяется изменением количества неосновных носителей зарядов вблизи перехода за счёт инжекции зарядов при прямом включении перехода:

где \(I_{\text{пр}}\) — ток p-n-перехода при прямом включении; \(\tau_p\), \(\tau_n\) — среднее время жизни дырок и электронов.

Следует отметить, что при включении p-n-перехода в прямом направлении преобладает диффузионная емкость, а при обратном направлении — барьерная (рис. 2).

Рис. 2 - Зависимость емкости p-n-перехода от напряжения

Емкость p-n-перехода отрицательно влияет на частотные свойства выпрямительных диодов, так как ограничивает их рабочую частоту, но в специальных диодах (варикапах) барьерная емкость является основным параметром.

Историческая справка

Современные применения