Podręcznik

Charakterystyka I-U złącza p-n jest silnie asymetryczna. Zgodnie z (1.18) i (1.30) prąd całkowity można opisać zależnością:

Dla polaryzacji zaporowej niewielki prąd wsteczny  jest sumą prądów nasycenia dla obszarów quasi-neutralnych i warstwy zaporowej i rośnie nieznacznie w funkcji napięcia tak, jak grubość warstwy zaporowej:

gdzie przyjęto złącze asymetryczne z krótką bazą, napięcie wsteczne U_R>>V_T, a liczbę Gummela określa wzór (1.27).

O wzajemnej relacji prądów nasycenia decyduje rodzaj półprzewodnika, ponieważ ich stosunek jest proporcjonalny do koncentracji samoistnej. Koncentracja ta jest wykładniczą funkcją temperatury, I_sq rośnie szybciej od I_sw, więc relacja prądów nasycenia też zależy od temperatury:

Rys. 1.14 Zależność prądów nasycenia od temperatury

Dla różnych materiałów półprzewodnikowych położenie punktu przecięcia wykresów na rys. Rnasyct względem temperatury 300 K jest różne. W temperaturze tej w złączach germanowych o względnie dużej koncentracji samoistnej (2.3.10¹³ cm^-3),  I_sq / I_sw @ 10, natomiast w złączach krzemowych o szerszej przerwie energetycznej i niższej koncentracji samoistnej (10¹⁰ cm^-3)   I_sq / I_sw @ 10^-3, ale w temperaturze 450 K obie składowe w Si są zbliżone.

Dla odpowiednio dużej polaryzacji zaporowej dochodzi do przebicia złącza czyli gwałtownego wzrostu prądu wstecznego. Napięcie przebicia, któremu odpowiada ten skok wartości prądu maleje ze wzrostem koncentracji domieszek. W przypadku niesymetrycznego złącza krzemowego możne je oszacować korzystając ze wzoru empirycznego:

 (dla koncentracji domieszek w bazie wyrażonej w cm^-3).

O przebiciu złącza mogą decydować dwa zjawiska:

Przebicie Zenera  polega na przejściach tunelowych elektronów z pasma walencyjnego w obszarze p przez barierę potencjału w warstwie zaporowej do pasma przewodnictwa w obszarze n.

Rys. 1.13 Przejścia elektronów w zjawisku Zenera

Zjawisko to decyduje o przebiciu złącza silnie domieszkowanego ponieważ prawdopodobieństwo tunelowania jest znaczące tylko dla wąskiej bariery potencjału a spolaryzowanie złącza niewielkim napięciem zaporowym (nawet poniżej 5 V) wystarcza do zapewnienia odpowiedniej konfiguracji pasm energetycznych.

Przebicie lawinowespowodowane jest lawinowym przebiegiem generacji zderzeniowej par elektron-dziura. Generacja ta staje się możliwa, gdy energia kinetyczna nośników przyspieszonych w silnym polu elektrycznym warstwy zaporowej, uwolniona w trakcie rozproszenia, jest wystarcza do wzbudzenia elektronu ponad przerwę energetyczną.

Zjawisko to jest znaczące w złączu słabiej domieszkowanym, gdy warstwa zaporowa jest odpowiednio szeroka w porównaniu z długością drogi przelotu swobodnego nośników. Powielanie lawinowe decyduje zatem o przebiciu złącza dla wyższych napięć polaryzacji zaporowej (powyżej 8 V), gdy w szerokiej warstwie zaporowej wytworzone zostanie odpowiednio silne pole elektryczne. Zwielokrotnienie prądu wstecznego opisuje współczynik powielania:

Zakresy dominacji poszczególnych składowych prądu przewodzenia można wyróżnić wykreślając charakterystykę złącza we współrzędnych lnI = f(U).

Rys. 1.14 Charakterystyki prądowo-napięciowe złączy z Ge, Si, GaAs dla polaryzacji przewodzenia

W przypadku germanu relacja  I_sq > I_sw powoduje, że prąd rekombinacji w obszarach quasi-neutralnych przeważa w całym zakresie polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. Odwrotna relacja dla półprzewodników z szerszą przerwą energetyczną, takich jak krzem i arsenek galu, decyduje o większej wartości prądu rekombinacji w warstwie zaporowej dla niskich napięć polaryzacji złączy. Jednak składowa prądu rekombinacji w obszarach quasi-neutralnych szybciej rośnie w funkcji napięcia i dla wyższych napięć dominuje.

Dla wysokich napięć polaryzacji przewodzenia charakterystyka odchyla się od funkcji exp(U/VT), ponieważ w warunkach wysokich poziomów wstrzykiwania nośników pojawia się spadek napięcia na obszarach quasi-neutralnych określony przez:

• pole elektryczne w obszarach quasi-neutralnych, wynikające z niepełnej kompensacji ładunku nadmiarowych nośników mniejszościowych przez nośniki większościowe (warunek quasi-neutralności nie jest spełniony),
• spadek napięcia na rezystancjach obszarów p i n.

W praktyce problem sprowadza się do wpływu zastępczej rezystancji szeregowej złącza R_s.

Naszkicować na jednym rysunku charakterystyki skokowych złączy p+-n o różnych koncentracjach domieszek w bazach (różnica stukrotna). Dla polaryzacji przewodzenia przyjąć skalę lg(I) = f(U).
Rozwiązanie
Zmiana koncentracji domieszek wpływa na przebieg charakterystyki prądowo-napięciowej w całym zakresie polaryzacji złącza. Zgodnie z (1.19) i (1.29) prądy nasycenia zależą od koncentracji domieszki w bazie następująco:
 $J_{sq}\div p_{n0 }\div \frac{1}{N_{a}}, J_{sw}\div d\div \frac{1}{\sqrt{N_{a}}}.$
100-krotny wzrost koncentracji domieszek w bazie powoduje zatem 100 krotne zmniejszenie prądu rekombinacji-generacji w obszarach quasi-neutralnych i 10-krotne w warstwie zaporowej. Ponadto zgodnie z (1.36) maleje napięcie przebicia złącza, a dla dużych prądów przewodzenia zmniejsza się spadek napięcia na rezystancji szeregowej. Rozwiązanie przedstawia rys. 1.15.



Rys. 1.15 Charakterystyki I-U złączy o różnych koncentracjach domieszek w bazie

Wpływ temperatury na charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n spowodowany jest:

• wykładniczą zależnością koncentracji samoistnej od temperatury i tym samym prądów nasycenia I_sq i I_sw jak na rys. Rnasyct,
• zmianą wartości potencjału termicznego w argumencie funkcji napięciowych Wiu,
• wzrostem wartości rezystancji szeregowej ze wzrostem temperatury.

Rys. 1.16 Wpływ zmian temperatury na charakterystykę I-U złącza p-n dla polaryzacji przewodzenia

W zakresie typowych warunków pracy złączy, w okolicach 300 K zmiana spadku napięcia na złączu przy stałym prądzie przewodzenia wynosi około –2 mV/K.

W zakresie przebicia złącza wzrost temperatury powoduje:

• zwężenie przerwy energetycznej i bariery potencjału dla tunelujących nośników, a w konsekwencji zmniejszenie napięcia przebicia Zenera,
• wzrost intensywności rozpraszania termicznego nośników, skrócenie drogi przelotu swobodnego i tym samym zwiększenie napięcia przebicia lawinowego.

Rys. 1.17 Wpływ zmian temperatury na charakterystykę I-U złącza p-n dla polaryzacji zaporowej