Файл: Учебное пособие по ТвЭиМЭ.doc

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода на основе p-n-перехода показана на рисунке 1.3. При приложении напряжения состояние ТДР нарушается. При обратном смещении ОПЗ расширяется, потенциальный барьер повышается, концентрация неосновных носителей заряда (n_p и p_n) будет меньше равновесной (n_p0 и p_n0).

При приложении прямого смещения носители будут преодолевать понизившийся потенциальный барьер. Электроны за счет диффузии (т.е. из-за разницы концентраций) будут проникать из n-области в p-область, а дырки – из p-области в n-область, концентрация неосновных носителей заряда вблизи ОПЗ будет выше равновесной. Этот процесс называется инжекцией. Распределение концентраций носителей при прямом смещении показано на рисунке 1.4.

Концентрация носителей на границе ОПЗ:

, (1.6)

, (1.7)

Зависимость распределения концентрации носителей от координаты определяется длиной области. В случае длинной области, превышающей диффузионную длину неосновных носителей тока

. (1.8)

В случае короткой области

(1.9)

Для расчета концентрации электронов формулы аналогичные.

Если количество инжектированных неосновных носителей заряда много меньше количества основных носителей заряда – это низкий уровень инжекции (НУИ).

Плотность диффузионного тока дырок на границе ОПЗ (x = x_n):

j _{p диф} = , (1.10)

плотность диффузионного тока электронов на границе ОПЗ (x = x_p):

j_{n диф} = , (1.11)

где D_n и D_p – коэффициенты диффузии электронов и дырок, см²/(В·с);

; (1.12)

L_n – диффузионная длина электронов в p-области, L_p – диффузионная длина дырок в n-области;

, (1.13)

τ_n – время жизни электронов в p-области, τ_p – время жизни дырок в n-области.

При условии НУИ и отсутствии генерации и рекомбинации носителей заряда в ОПЗ полная плотность тока через диод:

j = j_s , (1.14)

где j_s – плотность тока насыщения:

(1.15)

Умножив плотность тока на площадь p-n-перехода S получим ток через диод:

I = I_s . (1.16)

При U > 0 ток экспоненциально растет с ростом напряжения, при U < 0 <<1, следовательно, ток черезp-n-переход равен току насыщения.

Формула (1.16) описывает ВАХ идеализированного p-n-перехода. В реальных диодах напряжение падает не только на ОПЗ, но и на слаболегированной области диода – базе:

. (1.17)

Сопротивление базы

При обратном смещении ток через диод увеличивается из-за генерации электронно-дырочных пар в ОПЗ, при прямом смещении рекомбинация носителей в ОПЗ увеличивает общий ток. Плотность тока рекомбинации-генерации носителей заряда в ОПЗ:

(1.18)

где – ширина ОПЗ, а– эффективное время жизни носителей заряда:

(1.19)

Для многих практических случает можно использовать следующие формулы:

– прямое смещение pn-перехода:

, (1.20)

– обратное смещение pn-перехода:

. (1.21)

Ширина ОПЗ согласно зависит от смещения. Для ступенчатого p-n-перехода ширина ОПЗ:

. (1.22)

где ε₀ – электрическая постоянная (ε₀ = 8,854∙10 ^–14 Ф/см), ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала.

Влияние эффектов высокого уровня инжекции тоже искажает ВАХ. Прямая ветвь ВАХ диода показана на рисунках 1.5, 1.6.

Кроме того, вследствие саморазогрева прибора (выделение мощности I∙U) растет температура, и меняются параметры p-n-перехода (см. Лабораторную работу №2). При приложении большого обратного напряжения происходит пробой из-за лавинного увеличения количества носителей заряда в ОПЗ или из-за туннелирования электронов через ОПЗ. Он может перейти в тепловой пробой, ведущий к необратимому изменению характеристик.

Согласно идеализированной теории p-n перехода I ~ . При изменении тока в 10 раз (на декаду) напряжение получает приращениеΔU = 2,3 . Путем экстраполяции прямой ветви ВАХ идеализированногоp‑n-перехода, построенной в полулогарифмическом масштабе (рисунок 1.6), к напряжению U = 0 можно найти значение тока насыщения I_s. В области малых напряжений наклон ВАХ кремниевых диодов может быть меньше и определяться показателем экспоненты U/(m). Если наклон соответствует коэффициенту m = 2, то преобладающим механизмом, определяющим протекание тока в диоде, считаются процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в ОПЗ, что позволяет экстраполяцией участка с наклономU/(2) найти значение тока.

При домашней подготовке необходимо ознакомиться с типами р-n-переходов, изучить принцип работы полупроводникового диода, рассмотреть особенности ВАХ реальных диодов.

Предварительное расчетное задание

1. Провести расчет φ_k, I_s и r_б диодов.

2. Рассчитать и построить ВАХ идеального диода и ВАХ реального диода при температуре 300 K в одной системе координат.

Данные к расчету

Взять из задания к типовому расчету согласно номеру в журнале

Рабочее задание

1. Получить у преподавателя диод, отметить в протоколе материал, из которого сделан диод.

2. Измерить прямую и обратную ветви ВАХ диодов при масштабах ±5 В по напряжению и ±5 или ±15 мА, результаты занести в таблицы.

3. Отдельно промерить обратную ВАХ диода при масштабе ±100 В.

4. Построить графики ВАХ диодов в линейных масштабах по осям.

5. По усмотрению преподавателя, получить второй диод и повторить п. 1-4.

Анализ результатов измерений

1. Перестроив график прямой ветви ВАХ в полулогарифмическом масштабе, установить, есть ли на ней участок, соответствующий идеализированной теории p-n-перехода. Если такой участок есть, найти значение тока насыщения Is. Если наклон в области малых напряжений соответствует коэффициенту m = 2, найти значение тока I ⁺_RG0.

2. По наклону прямолинейного участка прямой ветви ВАХ, построенной в линейном масштабе, приближенно найти значение сопротивления базы r_б.

3. Графически оценить значение φ_k. При больших значениях прямого тока падение напряжения на ОПЗ приближается к значению контактной разности потенциалов, т.е. U ≈ φ_k. Напряжение на диоде U_д=I r_б+U, и, следовательно, при I = 0 на оси напряжений отсекается величина, приблизительно равная контактной разности потенциалов φ_k.

3. Сравнить экспериментально полученные ВАХ диодов с рассчитанными, объяснить различия.

Контрольные вопросы

1. Какие заряды образуют ОПЗ?

2. От каких параметров полупроводникового диода зависит величина контактной разности потенциалов?

3. Что происходит с величиной потенциального барьера при подаче на р-n-переход прямого и обратного напряжений?

4. Нарисуйте и объясните зависимости распределения концентрации носителей от координаты при прямом и обратном смещении.

5. Нарисуйте и объясните ВАХ диодов.