Прямая ветвь ВАХ р-n-перехода

При напряжениях V > 0 зависимость J(V) настолько крутая, что получить на опыте требуемый ток через переход, задавая на нем напряжение, очень трудно: малейшие изменения напряжения вызывают существенные изменения тока. Поэтому для р-n -переходов и, соответственно, диодов характерен режим заданного прямого тока. Чтобы исследовать зависимость V(J), запишем ВАХ в следующей форме:

V = ,

Для большинства практических применений прямой ток через диод находится в пределах от 10^-4А до 0,1А. Прямое напряжение V для Si диода в этом случае лежит в пределах от 0,65В до 0,83В. Поэтому для нормального токового режима принимают, что падение напряжения на Si р-n -переходе примерно составляет 0,7В. Это напряжение обозначают как V* и называют напряжением открытого перехода.

Для Ge диода с много большим током J_S напряжение открытого перехода принимают равным 0,3В.

Температурная зависимость V* д ля кремния

» - 2 мВ^оС.

Линейность в диапазоне температур -50⁰С – +150⁰ С

Дифференциальное сопротивление перехода С учетом того, что J >> J_S:

r_д = = .

С достаточной для практики точностью r_д можно рассчитать по

r_д= [Ом].

При J = 1 мА rд = 25 Ом.

 

 

Барьерная емкость р-n-перехода

Как уже отмечалось, область р-n-перехода обеднена основными носителями заряда (рис.) и полупроводник в нем по своим свойствам подобен собственному, то есть обладает низкой проводимостью и, следовательно, р-n-переход представляет собой высокоомную область. В этой области имеется двойной электрический слой: n-область заряжена положительно, р-область – отрицательно. Поэтому р-n-переход напоминает плоский конденсатор. Обкладками его являются границы перехода, а диэлектриком – обедненная основными носителями заряда область. Эту емкость назвали барьерной емкостью р-n-перехода.

Барьерная емкость р-n-перехода определяется аналогично емкости плоского конденсатора:

С = ,

где: S – площадь перехода, d – его толщина, e - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника. Толщина р-n-перехода определяется соотношением:

d = ,

где V – внешнее смещение, подаваемое на переход. Тогда емкость р-n-перехода:

С = S .

Так, при S = 25*10^-6 см²; N_Д = N_А =10¹⁸ см^-3; V = -5 B; e = 16; e₀ = 8.85*10^-14 ф/м получим С = 2,6 пФ.

Видно, что барьерная емкость зависит от приложенного к переходу напряжения. Причем при увеличении обратного смещения емкость уменьшается, что связано с увеличением толщины р-n-перехода. Зависимость (1/С)2 = f (V) линейна и имеет вид, представленный на рис. ЗЗЗЗЗЗЗ. При V³Vк говорить о барьерной емкости перехода не имеет смысла так как в силу прямого смещения сопротивление перехода резко уменьшается и через него протекает большой ток. Существуют специально спроектированные диоды – варикапы, которые выполняют роль электрически управляемых конденсаторов.

Термоэлектронная эмиссия

Как известно, чтобы перевести электрон из твердого тела в вакуум, необходимо затратить некоторую энергию. На рис приведена энергетическая диаграмма металла, на которой уровень с нулевой энергией – уровень вакуума Е_{ВАК .} Он является отсчетным, поскольку электрон на этом уровне не взаимодействует с металлом.

Распределение электронов в металле определяется энергией Ферми Е_FM.. Для чтобы перевести электрон из твердого тела в вакуум необходима энергия Е_ВАК – Е_FM., Эту энергию называют термоэлектронной работой выхода металла и обозначают Ф _М.. Ясно, что покинуть металл могут лишь те электроны, которые имеют энергию ³ Ф _М. Очевидно, чем выше температура металла, тем больше электронов смогут получить энергию, достаточную для перехода в вакуум.

Явление выхода из твердого тела электронов в силу их теплового возбуждения называют термоэлектронной эмиссией.

Плотности тока термоэлектронной эмиссии определяется выражением:

j_ТЭ = T² = АТ² , (6.14)

где А – постоянная Ричардсона, одинаковая для всех металлов. Величину Ф _М можно определить экспериментально, измерив ток термоэлектронной эмиссии при разных температурах.

В полупроводнике выход электрона в вакуум характеризуется энергией электронного сродства c_П – энергией, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он перешел со дна зоны проводимости в вакуум.. Для любого полупроводника величина c_П в отличие от работы выхода Ф _П =Е_ВАК – Е_FП не зависит от степени легирования примесью.

Ток термоэлектронной эмиссии у полупроводника определяется тем же соотношением (6.14), что и для металла с учетом замены Ф _М на Ф _П. Поскольку в полупроводнике положение уровня Ферми Е_FП зависит от температуры, природы и концентрации примеси, то и термоэлектронная работа выхода также будет определяться этими параметрами. Как у металлов, так и у полупроводников Ф составляет несколько электрон-вольт.