Физические основы микроэлектроники, конспект лекций, страница 31

                             I₀

 

                                               0                                                     U

Рис. 4.3 Вольтамперная характеристика тонкого перехода.

         Оценивают нелинейность вольтамперной характеристики сравнением сопротивления при прямом и обратном смещении. Поэтому вводят дифференциальное сопротивление перехода

R_i = dU / dI,                                     (4.21)

а также сопротивление постоянному току

R_n = U /I                                           (4.22)

Таким образом р-n переход характеризуется весьма малым сопротивлением при прямом включении и очень большим при обратном, т. е.  обладает вентильным или выпрямляющими свойствами.

Такими свойствами переход обладает до определенной температуры, после чего происходит потеря выпрямляющих свойств.

Согласно закону действующих масс:

P_no = n_i² / n_no,                n_po = n_i² / p_po ,                       (4.23)

где n_i – концентрация собственных носителей.

Отсюда следует, что с повышением температуры n_i будет быстро увеличиваться, в то время как n_no = N_д  и p_po = N_a  от температуры практически не зависят. Поэтому при некоторой температуре n_i может достичь значения, равного n_no  / p_po . Тогда p_no =  n_i² / n_no = n_no² / n_no ≈ n_no и концентрация основных носителей окажется равной концентрации неосновных носителей. При такой температуре потенциальный барьер р-n перехода, обуславливающий его выпрямляющие свойства, исчезает

Δφ = kTln (n_no / p_no ) ≈ kTln1 = 0                    (4.24)

Эта температура тем выше, чем шире запрещенная зона полупроводника.

Следует отметить, что вольтамперная характеристика (4.12) получена для тонкого р-n перехода, когда не учитываются процессы генерации и рекомбинации в области перехода. Для реального или толстого перехода, характеристика выглядит несколько иначе (пунктирная линия на рис.4.3). На прямой ветви при том же напряжении ток несколько меньше из-за наличия рекомбинационного тока и падения напряжения на прилегающих областях полупроводника. Обратная ветвь характеристики отличается тем, что из-за преобладания процесса генерации носителей в области перехода обратный ток не остается постоянным, а возрастает по абсолютной величине пропорционально  √U. Нелинейный вид вольтамперной характеристики р-n перехода позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. Полупроводниковый прибор, выполняющий эту роль, называется полупроводниковым диодом. Он состоит из р-n перехода, пассивных р и n областей, которым подведены омические контакты для соединения с внешними выводами. Одна из областей n или р всегда является более высокоомной и ее принято называть базой. Низкоомную область называют эмиттером.

Материалами для выпрямительных диодов служат, как правило, германий и кремний. КПД таких диодов приближается к 100%, что в сочетании с их малым весом и габаритами, механической прочностью обеспечило им широкое практическое применение.

Другой весьма широкой областью применения полупроводниковых диодов являются импульсные схемы радиотехники, вычислительной техники, автоматики, СВЧ-техники. Одним из основных требований к диодам, предназначенным для таких схем, является быстродействие.