Реальная вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода

Теоретическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) электронно-дырочного перехода выражается следующим уравнением (уравнение Эберса-Молла):

\(I_{пр}=I_{диф}-I_{др}=I_S\left(e^{U/\varphi_т}-1\right)  \),

где \(I_S\) – ток насыщения (ток дрейфа неосновных носителей),
\(\varphi_т = kT/q\) — тепловой потенциал,
\(U\) — напряжение на переходе.

Однако приведенное уравнение весьма приблизительно совпадает с реальными вольт-амперными характеристиками, так как не учитывает целого ряда физических процессов, происходящих в полупроводниках. К таким процессам относятся: генерация и рекомбинация носителей в запирающем слое, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей, явления теплового, лавинного и туннельного пробоев.

Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в запирающем слое для некоторых типов полупроводников (например, для кремния) могут оказывать существенное влияние на вид ВАХ. В отсутствие внешнего напряжения между процессами генерации и рекомбинации устанавливается равновесие. При приложении к переходу обратного напряжения дырки и электроны, образующиеся в результате генерации, выводятся полем запирающего слоя. Это приводит к появлению дополнительного тока генерации, совпадающего с обратным током перехода. Величина такого тока существенно зависит от параметров полупроводника и концентрации примесей (при увеличении концентрации примесей ток генерации растет) и может превысить значение тока насыщения, став основной составляющей обратного тока. С увеличением обратного напряжения растет ширина запирающего слоя (пропорционально \(\sqrt{U_{обр}}\), соответственно растет число генерируемых в нем носителей и увеличивается ток генерации. Поэтому на реальной ВАХ при увеличении обратного напряжения наблюдается постепенный рост обратного тока вплоть до начала проявления процессов пробоя. Возрастанию обратного тока способствуют также токи утечки.

Если ток протекающий через переход незначителен, то падением напряжения на сопротивлении нейтральных областей можно пренебречь. Однако при увеличении тока этот процесс оказывает все большее влияние на ВАХ прибора, т.е. его реальная характеристика идет под меньшим углом и вырождается в прямую линию, когда напряжение на запирающем слое становится равным контактной разности потенциалов.

При некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем перехода. Существует три вида пробоев: туннельный, лавинный и тепловой (рис. 1.2-2). Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.

Рис. 1.2-2. Реальная вольт-амперная характеристика (ВАХ) \(p\)-\(n\)-перехода.