2.4. Свойства p-n-структуры при воздействии внешнего напряжения

Свойства p-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение. Характер этих изменений зависит от значения и полярности приложенного напряжения.

Если к p-n-переходу приложить напряжение U плюсом к p-области, а минусом к n-области (рис.2.7), то в p-n-переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле. В этом случае дырки p-области, отталкиваясь от приложенного к этой области положительного потенциала внешнего напряжения, приближаются к границе между областями и, скомпенсировав заряд части ионов акцепторов в приграничной зоне, сужают ширину p-n-перехода, лежащую в p-области. Аналогично, электроны n-области, отталкиваясь от отрицательного потенциала, приложенного к этой области, компенсируют заряды части ионов доноров, сужая ширину p-n-перехода, лежащую в n-области. В итоге концентрация основных носителей в переходе возрастает и они приближаются к границе, разделяющей p- и n-области. Уменьшается ширина запирающего слоя и его сопротивление. Потенциальный барьер уменьшается и становится равным . Носители, имеющие наибольшие значения энергии, преодолевают узкий и невысокий потенциальный барьер и переходят границу. В цепи потечет электрический ток i. Однако до тех пор пока , обедненный носителями заряда p-n-переход имеет высокое сопротивление, и ток имеет малое значение.

При толщина p-n-перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении напряжения U переход, как область, обедненная носителями зарядов, исчезает совсем. Через переход потечет ток, который называется прямым током (i_пр). Полярность внешнего приложенного напряжения также называется прямой.

С увеличением внешнего напряжения ток возрастает неограниченно, так как создается основными носителями, концентрация которых в обеих областях велика и непрерывно восполняется источником внешнего напряжения (на смену электронам n-области, рекомбинировавшим с дырками, перешедшими границу, от отрицательного полюса внешнего источника поступают новые свободные электроны).

Процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией. В рассматриваемом случае дырки инжектируются из p-области в n-область, где они являются неосновными носителями, а электроны из n-области в p-область. В несимметричных переходах, когда концентрации основных носителей в n- и в p-областях отличается на два-три порядка, процесс инжекции можно рассматривать как односторонний.

Если к p-n-переходу приложить напряжение U плюсом к n-области, а минусом к p-области, то общий потенциальный барьер повышается. Движение основных носителей через p-n-переход уменьшается и при некотором значении U совсем прекращается, т.е. в этом случае электроны и дырки начнут двигаться от p-n-перехода и дефицит свободных носителей заряда в p-n-переходе увеличится. Однако некоторый ток (i_обр) все-таки есть. Этот ток обусловлен движением неосновных носителей, которые, попав в поле p-n-перехода, будут им захватываться и переноситься через потенциальный барьер.

Такое включение p-n-перехода называют обратным, а напряжение, приложенное к p-n-переходу,  обратным напряжением.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p-n-перехода, т.е. зависимость тока через p-n-переход от напряжения на переходе, описывается выражением:

, (2.3)

где  тепловой ток, равный обратному току при большом обратном напряжении. Величина этого тока зависит от материала, площади p-n-перехода и в существенной степени от температуры. Зависимость теплового тока от температуры обычно характеризуется выражением:

, (2.4)

где  начальная температура, при которой измерен ток ;

температура удвоения теплового тока (для кремния (56)С,

для германия 9С).

В свою очередь для кремния на 1-2 порядка меньше, чем у германия. ВАХ p-n-перехода, построенная по выражению (2.3), приведена на рис. 2.8 (кривая 1). Предельное значение напряжения при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов _к.

ВАХ реального p-n-перехода совпадает с кривой, соответствующей выражению (2.3) до значений обратного напряжения, близких к U_{обр макс}, при котором наступает пробой перехода (кривая 2 на рис. 2.8).

Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый, выводящий полупроводниковый прибор из строя).

Сущность электрического пробоя состоит в том, что под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей и получают энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера. Двигаясь с высокой скоростью в p-n-переходе, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их, в результате чего появляются новые свободные электроны и дырки. Этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к резкому увеличению обратного тока.

Если не ограничить обратный ток (например, включив последовательно с переходом резистор), то электрический пробой перейдет в тепловой, при котором за счет тепловой энергии происходит энергичная генерация пар «электрон - дырка», приводящая к резкому увеличению обратного тока. Увеличение тока приводит к повышению температуры и дальнейшей генерации носителей. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к изменению структуры кристалла, выводя его из строя.

В реальных p-n-переходах характеристики искажаются, и токи могут отличаться от характеристики идеального p-n-перехода. Особенно это касается обратных токов, которые существенно увеличиваются за счет искривления энергетических зон вблизи поверхности.