Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В

1.6. Физические процессы в полупроводниковых диодах

Полупроводниковый диод, по существу, представляет собой электронно-дырочный переход.

Для любого электронного прибора важна зависимость между током и напряжением, называемая вольтамперной характеристикой (ВАХ) данного прибора и показывающая его свойства.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода (рис. 1.28) имеет, нелинейный характер, что указывает на зависимость сопротивления от напряжения (тока) и на сложную связь между напряжением и током, не подчиняющуюся закону Ома.

Характеристика для прямого тока в начале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении Uпр сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и р-областей, которые нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе быстро снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток iобр=iдр-iдиф резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствии нагрева перехода, за счет утечки по поверхности, а так же за счет лавинного размножения носителей за-

98

ряда, т.е. увеличения числа носителей в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем

итакже выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой n – p-перехода, при котором обратный ток резко возрастает

исопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой n – p-перехода. Электрический пробой является обратимым процессом, т.к. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Специальные диоды для стабилизации напряжения – полупроводниковые стабилитроны – работают в режиме пробоя. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атома сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для n – p-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эф-

фекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105В/см, действующем в n – p-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте n – p-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротив-

99

ление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву и его тепловому разрушению.

На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей заряда, т.е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. Поэтому свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. Это наглядно показывают вольтамперные характеристики, снятые при различных температурах (рис. 1.29).

Рис. 1.29

Обратно смещенный электронно-дырочный переход обладает барьерной емкостью. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +Qобр и –Qобр, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси.

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток.

Однако в специальных диодах (варикапах) барьерная емкость используется как электрически регулируемая емкость.

При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p-областях при прямом напряжении на переходе.

100

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

1.7 Физические процессы в транзисторах

Основные физические процессы в транзисторе рассмотрим на примере биполярного транзистора n-p-n-типа в режиме без нагрузки (рис. 1.30).

Рис. 1.30

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения Uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды показанные на рисунке кружками «+» и «–». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т.е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок

101

в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении плюса источника Е1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока iб. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

iэ=iк+iб

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно iб составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т.е. iб»iэ, а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать iк≈iэ. Именно для того, чтобы ток iб был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была бы велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень не большой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т.е.

102