Вольт-амперная характеристика p–n-перехода

Пусть к электронно–дырочному переходу подключен источник напряжения плюсом к p–области и минусом к n–области. Такое подключение называют прямым. При прямом смещении перехода его потенциальный барьер уменьшается и большее число основных носителей, чем при равновесном состоянии, перейдет через границу раздела. Таким образом, при приложении внешнего напряжения в прямом направлении, в результате инжекции носителей через p–n-переход будет протекать ток, величина которого будет нарастать с увеличением приложенного напряжения .

Рис.1. Образование p–n-перехода при введении акцепторной примеси в электронный полупроводник:

а–структура p–n-перехода; б–распределение примесей; в–энергетическая схема p– и n–полупроводников до контакта; г–распределение носителей; д–рапределение плотности объемного заряда; е–распределение электрического поля; ж–энергетическая диаграмма p–n-перехода

При обратной полярности приложенного напряжения–плюс источника к n–области и минус источника к p–области–высота потенциального барьера увеличится и ток основных носителей будет незначительным.

Полный ток, текущий через переход, определяется следующим выражением

(1)

Величину

называют током насыщения p–n-перехода или обратным тепловым током;

D_p, D_n–коэффициенты диффузии дырок и электронов, L_p, L_n–диффузионные длины дырок и электронов; p_n0, n_p0–равновесные концентрации неосновных носителей заряда, дырок и электронов, соответственно;q – элементарный заряд (q = 1,6×10^-19 Кл); j_Т–температурный потенциал, равный j_T=kT/q; k – постоянная Больцмана (k = 1,38×10^-23 Дж/К); Т – температура перехода в градусах Кельвина

Вольт–амперная характеристика (ВАХ) идеального p–n-перехода представлена на рис.2. Величина обратного тока p–n-перехода с увеличением обратного напряжения стремиться к величине I₀.

Рис.2. Вольт-амперная характеристика идеального pn – перехода

Температура оказывает сильное влияние на ВАХ pn–перехода. Причем в первую очередь это влияние обусловлено зависимостью обратного тока перехода от температуры. При увеличении температуры на 10 ⁰С обратный ток германиевого pn – перехода увеличивается в два раза, кремниевого – в 2.5 раза (но абсолютная величина обратного тока у кремниевого pn – перехода значительно меньше, чем у германиевого перехода). Такое поведение обратного тока обусловлено ростом числа носителей заряда в полупроводнике при увеличении температуры. Температурная зависимость обратного тока описывается следующими выражениями:

; (2)

. (3)

На рис. 3 показаны ВАХ кремниевого pn – перехода для двух значений температуры T2 > T1. Рост числа свободных носителей заряда в полупроводнике, а также уменьшение ширины запрещенной зоны полупроводника с ростом температуры приводят к росту прямого тока через переход при фиксированном напряжении на нем или уменьшению прямого напряжения при фиксированном токе. Это влияние температуры на прямую ветвь ВАХ описывается температурным коэффициентом напряженияТКН, численно равным отношению изменения падения напряжения на прямо-смещенном pn – переходе ΔUпр к изменению температуры ΔT, вызвавшему изменение напряжения, при фиксированном прямом токе pn – перехода (см. рис. 3):

(4 )

Рис.3. Влияние температуры на вольт-амперные характеристики pn – перехода (Т₂ > T₁)