Что такое обратный ток насыщения

Обратная ветвь вах реального p-n перехода

Под обратной ветвью вольтамперной характеристики реального p-n перехода понимается зависимость обратного тока от значения обратного напряжения: Iобр = f(Uобр). Данная зависимость приведена на рис. 5. Отличие реальной обратной ветви ВАХ p-n перехода от идеальной состоит в следующем: обратный ток растет при увеличении обратного напряжения p-n перехода и имеет значение большее, чем I₀. Это объясняется тем, что в реальном p-n переходе обратный ток содержит несколько составляющих: Iобр =I₀+Iт/г+Iу, где I₀– ток насыщения или тепловой ток;Iт/г – ток термогенерации;Iу – ток утечки. Рис. 5. Обратная ветвь ВАХp-nперехода: 1 – идеальный переход; 2 – реальный переход Поясним сущность основных составляющих обратного тока реального p-n перехода.

Ток насыщения

Тепловой ток или ток насыщения I₀обусловлен тепловой генерацией электронно-дырочных пар атомами собственных полупроводников в областях, примыкающих к p-n переходу на расстоянии, равном длине диффузии Механизм образования теплового тока иллюстрируется рис. 6, на котором обозначено: lобр – ширина обратносмещенного p-n перехода;SL_n– объем диффузии в полупроводнике p-типа неосновных носителей заряда – электронов;SL_p– объем диффузии в полупроводнике n-типа неосновных носителей заряда – дырок. Ток I₀не зависит от величины обратного напряжения, а зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, степени легирования полупроводников. Следует отметить, что ток насыщения I₀кремниевых p-n переходов много меньше обратного тока германиевых p-n переходов. Это связано с различием ширины запрещенной зоны:Wз_Ge = 0,72 эВ;Wз_Si = 1,12 эВ. Ток насыщения определяется неосновными носителями заряда примесного полупроводника. Так, например, в полупроводнике n-типа это дырки –p_n, которые определяются в соответствии с законом действующих масс:p_n= n_i2/n_nn_i2/N_ДИзвестно, чтоn_iGe 10 13 см -3 , аn_iSi10 10 см -3 , и при равной концентрации примеси получаем, что концентрация неосновных носителей заряда в кремниевом полупроводнике на шесть порядков меньше, чем в германиевом примесном полупроводнике, а это приводит к значительной разнице значений тока насыщения. Рис. 6. Образование тока насыщения Влияние температуры на тепловой ток можно пояснить, используя выражение . Из этого выражения следует, что при увеличении температуры тепловой ток возрастает экспоненциально, то есть увеличивается в два раза при изменении температуры на каждые десять градусов Цельсия. Например, при T₁ = +20С токI₀₁ = 10 мкА, а приT₂ = +50C он определится из соотношения , то есть при изменении температуры на T = +30Cтепловой ток возрастает в восемь раз. Влияние концентрации примеси в примесных полупроводниках, образующих p-n переход, прослеживается при рассмотрении закона действующих масс применительно к определению концентрации неосновных носителей заряда. С ростом концентрации примеси N_А, N_Дв p- и n-областях уменьшается концентрация неосновных носителей, что ведет к уменьшению теплового тока.

Ток термогенерации

Ток термогенерации появляется из-за конечной ширины p-n перехода, не учитываемой теорией идеального p-n перехода, и обусловлен генерацией электронно-дырочных пар в объеме p-n перехода (рис. 7). Рис. 7. Образование тока термогенерации В отсутствие внешнего напряжения между процессами генерации и рекомбинации устанавливается равновесие. При приложении к p-n переходу обратного напряжения дырки и электроны, образующиеся в результате генерации, выводятся полем запирающего слоя. Это приводит к возникновению дополнительного тока термогенерации Iт/г, совпадающего с обратным током p-n перехода: Ток термогенерации зависит от Uобр,так как с увеличением обратного напряжения на p-n переходе происходит его расширение в соответствии с выражением . Отсюда можно сделать вывод, что ток термогенерации пропорционален корню квадратному из значения обратного напряжения на p-n переходе. Кроме этого, Iт/г зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, концентрации примеси в p- и n-областях p-n перехода. Как и для теплового тока, влияние материала полупроводника на ток термогенерации связано с различной шириной запрещенной зоны, а это определяет отличие в значении контактной разности потенциалов и соответственно в величине ширины p-n перехода l₀. Поэтому имеем: для кремниевого полупроводника Wз = 1,12 эВ,Iт/г10 3 I₀; для германиевого полупроводника Wз = 0,72 эВ,Iт/г0,1I₀. Из приведенных значений соотношения между током термогенерации и тепловым током можно отметить, что для германиевых p-n переходов ток термогенерации не учитывается, а для кремниевых p-n переходов пренебрегают током насыщения. Поэтому на ВАХ кремниевых p-n переходов нет выраженного участка насыщения. При увеличении температуры окружающей среды ток термогенерации возрастает экспоненциально, то есть удваивается при изменении температуры на каждые (10…14) градусов. Механизм влияния температуры аналогичен тому, что был рассмотрен при характеристике теплового тока. От степени легирования областей p-n перехода ток термогенерации зависит следующим образом. С ростом N_А, N_Дпроисходит увеличение контактной разности потенциалов_К , уменьшениеl₀иlобр, а следовательно, и уменьшение тока термогенерации.

Смещение p-n перехода в обратном направлении (обратное включение перехода).

Если к p-n переходу подключить внешнее Евн напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности Uк потенциалов, то такое включение называется обратным (n-область подключается к положительному полюсу Евн, а p-область к отрицательному полюсу Евн). При таком включении в p-n переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле, увеличивающее его внутреннее поле. Суммарное поле Еε, действующее в переходе, будет определяться:

Это поле увеличит тормозящее действие на основные носители заряда и их движение уменьшится, а при некотором значении Евн совсем прекратится и ток диффузии станет равным нулю (Iдиф=0).

Под действием электрического поля Евн основные носители заряда будут оттягиваться от пограничных слоев p-n перехода, увеличивая дефицит свободных носителей в области перехода и расширяя переход (увеличение его толщины).

Для неосновных носителей заряда Евн является ускоряющим полем, поэтому оно будет поддерживать дрейфовый ток, переводя неосновные носители через расширенный p-n переход.

Процесс перевода (оттягивания, «отсоса») носителей заряда через p-n переход из областей, где они становятся основными носителями, под действием обратного напряжения на переходе, называется экстракцией.

При малых значениях обратного напряжения на переходе навстречу дрейфовому току протекает диффузионный ток (I0=Iдиф), который уменьшается по экспоненциальному закону:

Результирующий ток через p-n переход в этом случае будет называться обратным током и определяется:

Поскольку φт =26 мВ при Т=300 К, то уже при |Евн|>3φт током основных носителей можно пренебречь, и обратный ток будет определяться током I0, независящим от Евн. Поэтому I0 в этом случае называют обратным током насыщения или просто обратным током. (Он зависит от температуры и от концентрации носителей в собственном полупроводнике)

Эмпирическим путем установлено, что значение тока в зависимости от температуры может быть выражено:

Где Т – текущая температура,

Т0 — температура, при которой значения тока I0 известно.

Эта формула носит название формулы «удвоения». Эта формула имеет более высокую точность для полупроводников на основе германия и меньшую точность – для кремния.

Диаграмма энергетических зон p-n перехода при обратном смещении

Различие свойств при прямом и обратном напряжении определяет возможность его работы в качестве выпрямляющего элемента.

Уравнение Шокли.

Анализ выражений для токов через p-n переход при прямых и обратных напряжениях позволяет установить аналитическую зависимость:

Это уравнение называется уравнением диода или уравнением Шокли, где I0 – тепловой ток или обратный ток насыщения.

Термин «тепловой» отражает сильную температурную зависимость I0 от температуры, а также тот факт, что I0 = 0 при Т = 0 К.

Термин «обратный ток насыщения» отражает тот факт, что при отрицательном напряжении Евн и |Евн|>>φт , обратный ток идеализированного диода равен (-I0) и не зависит от Евн.

, где k = 1,38* Дж/К – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

=26 БмВ при Т = 300 К.

Действительно, близко к нулю.

Это значит, что при обратном включении Ip-n(обр) = -I0 и не зависит от величины обратного напряжения.

Смещение p-n перехода в обратном направлении (обратное включение перехода).

Если к p-n переходу подключить внешнее Евн напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности Uк потенциалов, то такое включение называется обратным (n-область подключается к положительному полюсу Евн, а p-область к отрицательному полюсу Евн). При таком включении в p-n переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле, увеличивающее его внутреннее поле. Суммарное поле Еε, действующее в переходе, будет определяться:

=

Это поле увеличит тормозящее действие на основные носители заряда и их движение уменьшится, а при некотором значении Евн совсем прекратится и ток диффузии станет равным нулю (Iдиф=0).

Под действием электрического поля Евн основные носители заряда будут оттягиваться от пограничных слоев p-n перехода, увеличивая дефицит свободных носителей в области перехода и расширяя переход (увеличение его толщины).

Для неосновных носителей заряда Евн является ускоряющим полем, поэтому оно будет поддерживать дрейфовый ток, переводя неосновные носители через расширенный p-n переход.

Процесс перевода (оттягивания, «отсоса») носителей заряда через p-n переход из областей, где они становятся основными носителями, под действием обратного напряжения на переходе, называется экстракцией.

При малых значениях обратного напряжения на переходе навстречу дрейфовому току протекает диффузионный ток (I0=Iдиф), который уменьшается по экспоненциальному закону:

Результирующий ток через p-n переход в этом случае будет называться обратным током и определяется:

Поскольку φт =26 мВ при Т=300 К, то уже при |Евн|>3φт током основных носителей можно пренебречь, и обратный ток будет определяться током I0, независящим от Евн. Поэтому I0 в этом случае называют обратным током насыщения или просто обратным током. (Он зависит от температуры и от концентрации носителей в собственном полупроводнике)

Эмпирическим путем установлено, что значение тока в зависимости от температуры может быть выражено:

,

Где Т – текущая температура,

Т0 — температура, при которой значения тока I0 известно.

Эта формула носит название формулы «удвоения». Эта формула имеет более высокую точность для полупроводников на основе германия и меньшую точность – для кремния.

Диаграмма энергетических зон p-n перехода при обратном смещении

Различие свойств при прямом и обратном напряжении определяет возможность его работы в качестве выпрямляющего элемента.

Уравнение Шокли.

Анализ выражений для токов через p-n переход при прямых и обратных напряжениях позволяет установить аналитическую зависимость:

Это уравнение называется уравнением диода или уравнением Шокли, где I0 – тепловой ток или обратный ток насыщения.

Термин «тепловой» отражает сильную температурную зависимость I0 от температуры, а также тот факт, что I0 = 0 при Т = 0 К.

Термин «обратный ток насыщения» отражает тот факт, что при отрицательном напряжении Евн и |Евн|>>φт , обратный ток идеализированного диода равен (-I0) и не зависит от Евн.

, где k = 1,38* Дж/К – постоянная Больцмана;

q = 1,6* Кл;

Т – абсолютная температура;

=26 БмВ при Т = 300 К.

Действительно, близко к нулю.

Это значит, что при обратном включении Ip-n(обр) = -I0 и не зависит от величины обратного напряжения.

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад