Отличия вах реального и идеализированного p-n-переходов

3.2 Ток через p-n-переход

Через p-n-переход течет ток, представляющий сумму диффузионной и дрейфовой составляющих. Диффузионный ток образуется основными носителями заряда, для движения которых диффузионное поле является тормозящим. Увеличение диффузионного тока увеличивает напряженность поля Едиф, контактную разность потенциалов φк и потенциальный барьер φк . Это приводит к уменьшению тока. Таким образом устанавливается равновесие.

Дрейфовый ток образуется неосновными носителями заряда, для которых диффузионное поле является ускоряющим.

В равновесном состоянии сумма диффузионного и дрейфового токов равна нулю:

3.3 Прямое включение p-n-перехода

Прямым называется такое включение, при котором создаваемое внешним напряжением поле направлено против диффузионного поля (рис.3.2).

Рис.3.2 Прямое включение p-n-перехода

В результате контактная разность потенциалов уменьшается, потенциальный барьер снижается, ток основных носителей заряда через переход увеличивается.

3.4 Обратное включение p-n-перехода

Обратное включение p-n-перехода характеризуется тем, что напряженность поля, создаваемого внешним напряжением, совпадает по направлению с напряженностью диффузионного поля (рис.3.3).

Рис.3.3 Обратное включение p-n-перехода

В результате контактная разность потенциалов увеличивается, потенциальный барьер повышается, ток основных носителей заряда через переход уменьшается.

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

Вольт — амперная характеристика p-n-перехода –это зависимость тока через переход от приложенного к нему напряжения.

Идеализация p-n –перехода заключается в принятии следующих допущений:

1.Прилегающие к переходу области p и n характеризуются нулевым удельным сопротивлением. Поэтому внешнее напряжение прикладывается непосредственно к p-n-переходу.

2.В области p-n- перехода отсутствуют процессы генерации и рекомбинации свободных носителей заряда. Тогда ток через переход в зависимости от приложенного к переходу внешнего напряжения Uвнеш, т. е. вольт- амперную характеристику можно описать формулой Шокли:

где I0 — тепловой ток, который создается неосновными носителями заряда и зависит от трех факторов:

1. Концентрации неосновных носителей заряда, обратно пропорциональной концентрации примесей.

2.  Ширины запрещенной зоны ∆W. Чем больше ∆W, тем меньше I0 .

3.  Температуры. С увеличением температуры растет скорость генерации носителей заряда и увеличивается их концентрация.

3.6 Зонная (энергетическая) диаграмма p-n-перехода

При Uвнеш = 0. Состояние равновесия. Уровень Ферми имеет одно значение для всей структуры (рис.3.4).

Рис.3.4 Зонная диаграмма равновесного p-n-перехода

При Uвнеш ≠0. Прямое включение p-n-перехода (рис.3.5).

Рис.3.5 Зонная диаграмма при прямом включении p-n-перехода

При Uвнеш ≠0. Обратное включение p-n-перехода (рис.3.6).

Рис.3.6 Зонная диаграмма при обратном включении p-n-перехода

3.7 Отличия ВАХ реального и идеализированного p-n-переходов

Реальные p-n-переходы являются, как правило, несимметричными. При этом концентрация примеси в одной области превышает концентрацию примеси в другой. Область с большей концентрацией называется эмиттером, с меньшей — базой. Меньшая концентрация примесей означает меньшую электропроводность и большее удельное сопротивление. Поэтому в реальных p-n-переходах пренебрегать удельным сопротивлением базы нельзя. Эквивалентная схема реального p-n-перехода имеет вид (рис.3.7).

Рис.3.7 Эквивалентная схема реального p-n-перехода

Вторым отличием реального p-n-перехода от идеализированного является наличие в обедненном слое процессов генерации и рекомбинации носителей заряда. Поэтому при обратном включении ток через переход не постоянен, а зависит от приложенного к переходу напряжения (рис.3.8).

Рис.3.8 Отличие ВАХ реального p-n-перехода от идеализированного

Третье отличие заключается в присутствии явления пробоя при обратном включении p-n-перехода.

3.8 Пробой p-n-перехода

Пробой проявляется как резкое увеличение тока через p-n-переход при незначительном изменении приложенного обратного напряжения.

Различают три вида пробоя.

Лавинный пробой — возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей заряда путем ударной ионизации. Напряжение, при котором он появляется, увеличивается с ростом температуры (рис.3.8).

Рис.3.8 ВАХ при лавинном пробое

Туннельный пробой — возникает за счет перехода электронов из связанного состояния в свободное без сообщения им дополнительной энергии. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается (рис.3.9).

Рис.3.9 ВАХ при туннельном пробое p-n-перехода.

Тепловой пробой — это пробой, развитие которого обусловлено выделением тепла вследствие прохождения тока через переход. В отличие от лавинного и туннельного является необратимым. То есть в результате пробоя переход перестает работать. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается (рис.3.10).

Рис.3.10 ВАХ при тепловом пробое p-n-перехода

3.9 Зависимость ВАХ p-n-перехода от температуры

С ростом температуры ток через p-n-переход при прямом включении увеличивается из-за увеличения энергии носителей электрического заряда, которые за счет этого легче преодолевают потенциальный барьер.

При обратном включении p-n-перехода с ростом температуры ток через него увеличивается за счет увеличения скорости генерации носителей заряда в переходе (рис.3.11).

Рис.3.11 Зависимость ВАХ p-n-перехода от температуры

3.10 Зависимость ВАХ p-n-перехода от материала полупроводника

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода зависит от ширины запрещенной зоны AW энергетической диаграммы материала полупроводника.

Чем больше ширина запрещенной зоны AW, тем меньше скорость тепловой генерации и меньше концентрация неосновных носителей, создающих обратный ток I0 . Следовательно обратный ток меньше.

При прямом включении p-n-перехода ток через него будет тем больше, чем меньше ширина запрещенной зоны. Действительно, ток через p-n-переход определяется как

С увеличением значения ∆W, ток I0 уменьшается и ток I также уменьшается. Для наиболее распространенных полупроводниковых материалов Ge, Si и GaAs ВАХ соотносятся следующим образом (рис.3.12).

Рис.3.12 Зависимость ВАХ p-n-перехода от материала

 Параметры транзистора как четырехполюсника. h-параметры

Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I1 и I2 и два значения напряжения U1 и U2 (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема четырехполюсника

В зависимости от того, какие из этих параметров выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных, можно построить три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника. Это системы z-параметров, y-параметров и h-параметров. Рассмотрим их более подробно, используя линейное приближение.

Система h-параметров

Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U2 = 0) и режим холостого хода на входе (I1 = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I1 и напряжение U2, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I2 и напряжение U1, при этом система, описывающая связь входных I1, U2 и выходных I2, U1 параметров, выглядит следующим образом: