Главная | Обратная связь

Учет сопротивлений областей

При выводе уравнения ВАХ идеализированного р-n-перехода сопротивлением р- и n-областей пренебрегали (третье допущение). В реальных переходах оно составляет десятки и сотни Ом. Обычно р-n-переходы несимметричны, так что сопротивление области с наименьшей концентрацией примеси будет наибольшим. Эту об­ласть принято называть базовой,а ее сопротивление – базовым ( ). Таким образом, суммарное сопротивление обеих областей можно считать равным . Приложенное внешнее напряжение U распределяется между обедненным слоем и базовой областью: . По-прежнему можно использовать формулу Шокли, но вместо U, которое являлось напряжением на обедненном слое U_p-n, надо подставить (U -I ):

(3.43)

или

(3.44)

Вольт-амперная характеристика с учетом влияния показана на рис. 3.14. При малых токах вторым слагаемым мо­жно пренебречь. С ростом тока падение напряжения на базовой облас­ти I может стать сравнимым с напря­жением на самом р-n-переходе, при этом на ВАХ появится почти линейный (омический) участок. При дальнейшем росте тока начинает уменьшаться из-за увеличе­ния концентрации инжектированных в базу носителей, и ВАХ отклоняется от прямой линии. Это влияние называют эффектом модуляции сопротивления базы.

В кремниевых р-n-переходах обрат­ный ток I_обр = + I_ген ~ I_ген, а в германиевых I_обр = + I_ген ~ . Максимально допустимые прямые токи кремниевых плоскостных диодов различных типов составляют 0,1-1600А. Падение напряжения на диодах при этих токах обычно не превышает 1,5В. С увеличением температуры прямое напряжение уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера p-n-перехода и с перераспределением носителей заряда по энергетическим уровням. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет участка насыщения обратного тока, т. к. обратный ток в кремниевых диодах вызван процессом генерации носителей заряда в p-n-переходе. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры увеличивается. Для некоторых типов кремниевых диодов при комнатной температуре пробивное напряжение может составлять 1500-2000В. Диапазон рабочих температур для кремниевых выпрямительных диодов ограничивается значениями -60-+125^оС. Прямое напряжение на германиевом диоде при максимально допустимом прямом токе практически в два раза меньше, чем на кремниевом диоде. Это связано с меньшей высотой потенциального барьера германиевого перехода, что является достоинством, но, к сожалению единственным. Для германиевых диодов характерно существование обратного тока насыщения, что связано с механизмом образования обратного тока – процессом экстракции неосновных носителей заряда. Плотность обратного тока в германиевых диодах значительно больше, т. к. при прочих равных условиях концентрация неосновных носителей заряда в германии на несколько порядков больше, чем в кремнии. Это приводит к тому, что для германиевых диодов пробой имеет тепловой характер. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры уменьшается, а значения этого напряжения меньше пробивных напряжений кремниевых диодов. Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет около 75^оС. Существенной особенностью германиевых диодов и их недостатком является то, что они плохо выдерживают даже очень кратковременные импульсные перегрузки при обратном смещении p-n-перехода. Перечисленные особенности кремниевых и германиевых выпрямительных диодов связаны с различием ширины запрещенной зоны исходных полупроводников. Из такого сопоставления видно, что выпрямительные диоды с большей шириной запрещенной зоны, обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах.

Пробоем называют резкое увеличение обратного тока перехода при некотором обратном напряжении. Различают электрические пробои, обусловленные действием электрического поля в обеднен­ном слое, и тепловой пробой, вызванный перегревом перехода. Су­ществуют три основных вида электрического пробоя: лавинный, тун­нельный и поверхностный. Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией атомов кристаллической решетки в обедненном слое. При обратном на­пряжении ток в переходе создается дрейфовым движением неос­новных носителей, приходящих из нейтральных р- и n-областей. Эти носители ускоряются в обедненном слое и при напряжении, превышающем некоторое критическое значение, приобретают ки­нетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом Ge (или Si) произвести их ионизацию, т.е. создать пару носителей – электрон и дырку. Вновь образовавшиеся носители будут ус­коряться полем и могут также вызвать ионизацию и образование пар носителей заряда. Начинается лавинообразное нарастание обратного тока. Для характеристики этого процесса вводится коэф­фициент лавинного умножения М, показывающий, во сколько раз обратный ток превышает значение тока I_о, обусловленного пото­ком первоначальных носителей:

Коэффициент М определяется эмпирической формулой

где b – параметр, зависящий от материала полупроводника и типа электропроводности базовой области. Величину U_проб называют напряжением лавинного пробоя. При U_обр = U_проб , что теоретически соответствует неограни­ченному нарастанию обратного тока. Характерной особенностью лавинно­го пробоя является то, что с увеличением температуры U_проб воз­растает (положительный коэффициент напряжения пробоя). Происходит это потому, что при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей и для сообщения носителям необходимой энергии требуется большая напряженность электри­ческого поля.