Вольт – амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода.

Свойства электронно-дырочного перехода наглядно иллюстри­руются его вольт-амперной характеристикой (рис. 18, а), показы­вающей зависимость тока через p-n--переход от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитическим выражением вольт-ам­перной характеристики p-n -перехода является формула

(21)

где I₀ — обратный ток насыщения p-n -перехода, определяемый фи­зическими свойствами полупроводникового материала; U—напря­жение, приложенное к p-n -переходу; е — основание натуральных логарифмов; е — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура p-n -перехода.

Формула (21) пригодна как для прямых, так и обратных напряже­ний (прямое напряжение положительное, обратное —отрицательное). Из формулы (21) следует, что при положительных (прямых) напряже­ниях ток через p-n -переход с увеличением напряжения резко воз­растает. При отрицательных (обратных) напряжениях показатель сте­пени числа е — отрицательный. Поэтому при увеличении обратного напряжения величина становится значительно меньше единицы и ею можно пренебречь. При этом I= I_обр≈I₀т.е. обратный ток равен току насыщения и в определенных пределах оста­ется величиной практически постоянной. Обычно ток I₀ имеет величину порядка микроампер.

Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к про­бою p-n -перехода, при котором обратный ток резко увеличивается.

Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и 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 потенциального барьера в области p-n -перехода. Двигаясь с большей ско­ростью на участке p-n -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 p-n -переход. Таким образом, чрезмерно увеличивать обратное на­пряжение нельзя. Если оно превысит максимально допустимую для данного p-n -перехода величину (U_{обр max} на рис. 18, а), то участок p-n -перехода пробьется, и p-n -переход потеряет свойство односто­ронней проводимости (тепловой пробой).

Тепловой пробой p-n -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 p-n -перехода во многих слу­чаях происходят одновременно. При чрезмерном разогреве перехода, когда происходит изменение структуры кристалла, переход необра­тимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n -переход ограничен сопротивлением внешней цепи 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 p-n -перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения (рис. 18, б). При увеличении прямого напряжения со­противление p-n -перехода уменьшается. С изменением полярности и величины" приложенного напряжения сопротивление p-n -перехода резко возрастает. Следовательно, прямая линейная зависимость меж­ду напряжением и током (закон Ома) для p-n -переходов не соблю­дается. Нелинейные свойства p-n -переходов лежат в основе работы полупроводниковых приборов, использующихся для выпрямления переменного тока, преобразования частоты, ограничения амплитуд и т. д.

Рис. 18. Характеристики р-п перехода:

а – вольтамперная; б – сопротивления.

Свойства p-n перехода.

1) Односторонняя проводимость – способность пропускать ток в одном направлении и не пропускать в обратную.

2) Электрический пробой – способность пропускать в обратном направлении электрический ток.

3) Барьерная емкость – способность накапливать неполярные заряды.

4) Зависимость сопротивления перехода от внешних фактов.

5) Способность перехода преобразовывать электрический сигнал в световой поток.