Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n

Środa, Sierpień 15, 2011 Napisane przez Admin

Na rys. 1.7 przedstawiono zależność przepływającego prądu od napięcia doprowadzonego do elementu półprzewodnikowego ze złączem p-n. Na osi poziomej odciętych odkładamy napięcie +UF, które oznacza spadek napięcia na złączu w kierunku przepustowym, a napięcie UR — spadek ńapięcia w kierunku zaporowym. Prąd oznacza prąd płynący w kierunku przepustowym, a prąd IR — prąd płynący w kierunku zaporowym. W charakterystyce prądowo-napięciowej złącza p-n można wyróżnić cztery charakterystyczne parametry:
1. Zakres przewodzenia. W zakresie tym prąd przewodzenia IF rośnie bardzo szybko i prawie w sposób liniowy. Styczna do tego zakresu charakterystyki przecina oś napięcia przewodzenia UF w punkcie UiT0). Napięcie U(T0) nazywa się napięciem progowym.
2. W zakresie napięć bliskich zeru charakterystyka jest silnie zakrzywiona i ma wyraźne "kolano".
3. Zakres nieprzewodzenia. W zakresie tym prąd wsteczny IR jest bardzo mały (IR jest podawany w (xA).
Należy zwrócić uwagę, że przy małych wartościach napięć zarówno włączanych w kierunku przepustowym, jak i zaporowym, złącze p-n zachowuje się jak impedancja. Stąd wynika, że złącze to nie nadaje się do prostowania niewielkich napięć (dla złączy krzemowych < 0,7 V, a dla germanowych < 0,3 V). W złączu p-n spolaryzowanym w kierunku zaporowym całkowity spadek napięcia występuje na obszarze 6 rozmiarach rzędu odległości atomowych.
4. Przy odpowiednio silnym polu elektrycznym (dużym napięciu) może nastąpić gwałtowny wzrost prądu, który jest spowodowany dwiema przyczynami. Jedną z nich jest przejście elektronów w atomie z warstw bliższych jądru atomowemu do warstwy zewnętrznej i oderwaniu się od atomu, co powoduje wzrost liczby swobodnych elektronów. Zjawisko to nazywa się zjawiskiem Zenera. Płynący w wyniku tego zjawiska prąd nazywa się prądem Zenera.

Z doświadczeń wynika, że w półprzewodnikach germanowych i krzemowych zjawisko to występuje przy natężeniu pola ok. 10 do potęgi 6 V/m. Drugą przyczyną wzrostu prądu w kierunku zaporowym jest jonizacja zderzeniowa. Przy dużym napięciu zewnętrznym silne pole elektryczne nadaje swobodnym elektronom bardzo dużą prędkość. Energia kinetyczna uzyskana przez te elektrony może wystarczyć do wybicia innych elektronów z atomów znajdujących się w złączu. Te wybite elektrony nabywając dużej energii w polu elektrycznym wybijają następne elektrony itd. Z doświadczeń wynika, że w półprzewodnikach jonizacja zderzeniowa zachodzi przy natężeniu pola ok. 106 V/m. Warunkiem koniecznym do uzyskania jonizacji zderzeniowej jest istnienie również odpowiednio długiej drogi swobodnej dla elektronów, tak by mogły one nabrać odpowiedniej energii kinetycznej. Zjawisko Zenera występuje więc wyraźnie w cienkich złączach p-n, a zjawisko jonizacji zderzeniowej w złączach p-n o grubszej warstwie zaporowej. Rozważane zjawiska w złączu p-n mogą prowadzić do tzw. przebicia złącza, powodującego jego zniszczenie. Przebicie złącza ma miejsce wtedy, gdy prąd płynący w kierunku zaporowym jest bardzo duży. Spadek napięcia na złączu p-n w kierunku przewodzenia jest różny w zależności od materiału:
— w germanie 0,4 V,
— w krzemie 0,7 V.
Napięcie przebicia złącza p-n germanu wynosi kilkaset V. Dla krzemu napięcie to może być większe od 1000 V.