2.4. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛЬНЫХ p-n-ПЕРЕХОДОВ

В идеальном обратный ток уже при сравнительно небольшом обратном напряжении не зависит от значения последнего. Однако при исследованиях реальных наблюдается достаточно сильное увеличение обратного гока при увеличении приложенного напряжения, причем в кремниевых структурах обратный ток на 2—3 порядка выше теплового. Такое огличие экспериментальных данных от теоретических объясняется гермогенерацией носителей заряда непосредственно в области и существованием канальных токов и токов утечки.

Канальные токи обусловлены наличием поверхностных энергетических состояний, искривляющих энергетические зоны вблизи поверхности и приводящих к появлению инверсных слоев. Эти слои называют каналами, а токи, протекающие через переход между инверсным слоем и соседней областью, — канальными токами.

Емкости p-n-перехода.

Наряду с электропроводностью -переход имеет и определенную емкость. Емкостные свойства обусловлены наличием по обе стороны от границы электрических зарядов, которые созданы ионами примесей, а также подвижными носителями заряда, находящимися вблизи границы .

Емкость подразделяют на две составляющие: барьерную, отражающую перераспределение зарядов в , и диффузионную, отражающую перераспределение зарядов вблизи . При прямом смещении перехода в основном проявляется диффузионная емкость, при обратном (режим экстракции) заряды вблизи (в базе) меняются мало и основную роль играет барьерная емкость.

Так как внешнее напряжение влияет на ширину , значение пространственного заряда и концентрацию инжектированных носителей заряда, то емкость зависит от приложенного напряжения и его полярности.

Барьерная емкость обусловлена наличием в -переходе ионов донорной и акцепторной примесей, которые образуют как бы две заряженные обкладки конденсатора. При изменении запирающего напряжения, например увеличении, ширина -перехода увеличивается и часть подвижных носителей заряда (электронов в области и дырок в области ) отсасывается электрическим полем от слоев, прилегающих к переходу. Перемещение этих носителей заряда вызывает в цепи ток

где — изменение заряда обедненного слоя -перехода. Этот ток становится равным нулю по окончании переходного процесса изменения границ -перехода.

Величину для резкого перехода можно определить из приближенного выражения

где — площадь и толщина при .

С увеличением приложенного обратного напряжения U барьерная емкость уменьшается из-за увеличения толщины перехода (рис. 2.10, а).

Зависимость называют вольт-фарадной характеристикой.

При подключении к p-n-переходу прямого напряжения барьерная емкость увеличивается вследствие уменьшения . Однако в этом случае приращение зарядов за счет инжекции играет большую роль и емкость -перехода определяется в основном диффузионной составляющей емкости.

Диффузионная емкость отражает физический процесс изменения концентрации подвижных носителей заряда, накопленных в областях, вследствие изменения концентрации инжектированных носителей.

Влияние диффузионной емкости можно пояснить следующим примером.

Пусть через протекает прямой ток, обусловленный инжекцией дырок в базовую область. В базе накоплен заряд, созданный неосновными носителями, пропорциональный этому току, и заряд основных носителей, обеспечивающий электронейтральность полупроводника. При быстром изменении полярности приложенного напряжения инжектированные дырки не успевают рекомбинировать и под действием обратного напряжения переходят назад в область эмиттера. Основные носители заряда движутся в противоположную сторону и уходят по шине питания. При этом обратный ток сильно увеличивается. Постепенно дополнительный заряд дырок в базе исчезает (рассасывается) за счет рекомбинации их с электронами и возвращения в -область. Обратный ток уменьшается до статического значения (рис. 2.10. б).

Рис. 2.10. Вольт-фарадные характеристики (а) и изменение тока при изменении полярности напряжения (о): 1 - плавный переход; 2 - резкий переход

Переход ведет себя подобно емкости, причем заряд диффузионной емкости пропорционален прямому току, протекавшему ранее через -переход.