Главная  Электронные лампы 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [ 40 ] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

жение, приложенное к р-я-переходу; е - основание натуральных логарифмов; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура р -я-перехода.

Формула (7.4) пригодна как для прямых, так и обратных напряже-IHJH (прямое напряжение положительное, обратное -отрицательное). Из формулы (7.4) следует, что при положительных (прямых) напряжениях ток через р-я-переход с увеличением напряжения резко возрастает. При отрицательных (обратных) напряжениях показатель степени числа е - отрицательный. Поэтому при увеличении обратного

напряжения величина е = -становится значительно меньше

единицы и ею можно пренебречь. Прн этом / = /обр ~ - о» сбрзтный ток равен току насыщения и в определенных пределах остается величиной практически постоянной. Обычно ток имеет величину порядка микроампер.

Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к пробою р-/1-перехода, при котором обратный ток резко увеличивается.

Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) н тепловой ( необратимый ).

Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии (зенеровский пробой) и под действием ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой).

Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводниках, аналогична электростатической эмиссии электронов из металла. Сущность этого явления заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления высокого потеЕь циального барьера в области р-п-перехода. Двигаясь с большей скоростью на участке р-п-перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате такой ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые, в свою очередь, разгоняются полек и создают всевозрастающее количество носителей тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через р-п-переход. Таким образом, чрезмерно увеличивать обратное напряжение нельзя. Если оно превысит максимально допустимую для данного р-п-перехода величину (/обртах на рис. 7.8, а), то участок р-п-перехода пробьется, и р-п-переход потеряет свойство односторонней проводимости (тепловой пробой).

Тепловой пробой р-п-перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар электрон - дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока. Увеличение тока, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно.

Электрический и тепловой пробои р-п-перехода во многих случаях происходят одновремеиио. При чрезмерном разогреве перехода,



когда происходит изменение структуры кристалла, переход необратимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через р-/г-переход ограничен сопротивлением внешней депи и мощность, выделяющаяся на переходе, невелика, то пробой обратим. В этом случае можно управлять обратным током путем изменения внешнего напряжения, подводимого к переходу.

Анализ вольт-амперной характеристики р-я-перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения (рис. 7.8, 6). При увеличении прямого напряжения сопротивление р-/г-перехода уменьшается. С изменением полярности и величины приложенного напряжения сопротивление р-/г-перехода резко возрастает. Следовательно, прямая линейная зависимость между напряжением и током (закон Ома) для р-я-переходов не соблюдается. Нелинейные свойства р-я-переходов лежат в основе работы полупроводниковых приборов, использующихся для вьшрямления переменного тока, преобразования частоты, ограничения амплитуд и т. д.

7.5. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА р-п -ПЕРЕХОДА

Свойства р-я-перехода существенно зависят от температуры окружающей среды. При повышении температуры возрастает генерация пар носителей заряда - электронов и дырок, т. е. увеличивается концентрация неосновных носителей и собственная проводимость полупроводника. Это наглядно показывают вольт-амперные характеристики германиевого р-я-перехода, снятые при различной температуре (рис. 7.9). Как видно нз рисунка, при повышении температуры прямой и обратный токи растут, а р-/г-переход теряет свое основное свойство - ояосто-роннюю проводимость.

Зависимость от температуры обратной ветви вольт-амперной характеристики определяется температурными изменениями тока насыщения. Этот ток пропорционален равновесной концентрации неосновных носителей заряда, которая с увеличением температуры возрастает по экспоненциальному закону. По этому же закону с ростом температурь! увеличивается и ток насыщения


Рис. 7.9. Влияние температуры на вольт-амперную характеристику р- п-перехода.

(7.5)

где /о {Т) и /(, {Tq) - обратные токи насыщения при рассматриваемой {Т) и комнатной (Го) температурах; ДГ = Г - - перепад температур; а - коэффициент, зависящий от свойств полупроводника (для

германия а 0,05 0,09 К~; для кремния а 0,07 ~ 0,13 К~). Для германиевых и кремниевых р-/г-переходов обратный ток воз-



растает примерно в 2-2,5 раза при повышении температуры на каждые 10° С.

Прямой ток р-п-перехода при нагреве растет не так сильно, как обратный ток. Это объясняется тем, что прямой ток возникает, главным образом, за счет примесной проводимости. Но концентрация примесей от температуры практически не зависит. Температурная зависимость прямой ветви вольт-ампер ной характеристики в соответствии с формулой (7.4) определяется изменениями тока/ц и показателя экспоненты.

Для германиевых приборов верхний температурный предел 70 -г

90" С. У кремниевых приборов вследствие большей энергии, необходимой для отрыва валентного электрона от ядра атома, этот предел более высок - от 120" С до 150° С

Свойства р-п-перехода зависят также от частоты приложенного напряжения. Это объясняется наличием собственной емкости между слоями полупроводника с разными типами проводимости.

При обратном напряжении, приложенном к р-п-переходу, носители зарядов обоих знаков находятся по обе стороны перехода, а в области самого перехода их очень мало. Таким образом, в режиме обратного напряжения р-п-переход представляет собой емкость, величина которой пропорциональна площади р-п-перехода, концентрации носителей заряда и диэлектрической проницаемости материала полупроводника. Эту емкость называют барьерной (Cg). При малом обратном напряжении, приложенном к р-п-переходу, носители зарядов противоположных знаков находятся на небольшом расстоянии друг от друга. При этом собственная емкость р-п-перехода велика. При увеличении обратного напряжения электроны все дальше отходят от дырок по обе стороны от р-п-перехода н емкость р-п-перехода уменьшается. Таким образом, р-п-переход можно использовать как емкость, управляемую величиной обратного напряжения i.

При прямом напряжении р - п-переход, кроме барьерной емкости, обладает так называемой диффузионной емкостью Сдиф- Эта емкость обусловлена накоплением подвижных носителей заряда в п- и р-областях. Как было показано выше (см. параграф 7.3), при прямом напряжении в результате ннжекции основные носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в п- ир-областях. Каждому значению прямого напряжения (/цр соответствует определенная величина заряда (5диф, накопленного в области р-п-перехода. Поэтому

Сд„ф = . (7.6)

Диффузионная емкость не оказывает существенного влияния на работу р-п-перехода, так как она всегда зашунтирована малым прямым сопротивлением перехода. Наибольшее практическое значение имеет барьерная емкость. В связи с этим эквивалентная схема р-п-

1 Это свойство р - н-перехода используется в варикатх - полупроводниковых диодах с управляемой величиной емкости (см. гл. 9).



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [ 40 ] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

0.0018