Что такое обратный ток насыщения

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Обратный ток насыщения очень сильно зависит от температуры и удельного сопротивления материала, на основе которого изготовлен переход. Так как величина ni в кремнии значительно меньше, чем в германии, то ток насыщения перехода, изготовленного на основе кремния, теоретически на 5 — 6 порядков меньше, чем ток насыщения германиевого перехода. [1]

Обратный ток насыщения фронтального слоя этих элементов был снижен до 10 — 14 А / см2, и предсказана возможность получения элементов с Voc 0 7 В. [2]

Определить обратный ток насыщения диода , если подвижность электронов л — 0 30 м2 / ( В-с), подвижность дырок ipQ 5 м2 / ( В-с), концентрация собственных носителей заряда п42 5 — 1019 м — 3 при 7300 К. [3]

Так называемый обратный ток насыщения , составляющий дол и наноампера для маломощных диодов; UT — тепловой потенциал перехода, равный 26 мВ при комнатной температуре 300 К. [5]

Диод имеет обратный ток насыщения / оЮ мкА, напряжение, приложенное к диоду, равно 0 5 В. [6]

Вклад в темновой обратный ток насыщения / 0 дают два члена: ток J0n электронов, инжектированных в р-базу, который зависит от параметров Мл, fn и базовой области элемента на основе структуры п — р, и ток JQp дырок, инжектированных в легированный слой п — типа, зависящий от Ир, Тр и Sp. Составляющая Jon значительно превышает JQp в тонком легированном слое толщиной 0 2 — 0 5 мкм, в котором тр 10 8 с и Sp 104 см / с. Однако при изменении хотя бы одного из этих параметров легированного слоя может существенно увеличиться вклад / Ор в — А, что приведет к уменьшению Voc. Из-за очень малой толщины — слоя и очень высоких значений ND ( 1019 — 1020 см 3), а также наличия почти наверняка неоднородных распределений ND, тр и др эти параметры и Sp трудно точно измерить и еще труднее удовлетворительно промоделировать. [7]

В диоде устанавливается обратный ток насыщения . [8]

Идеальный кремниевый р-л-переход имеет обратный ток насыщения / 030 мкА при Г125 С. [9]

Германиевый полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения / 025 мкА, работает при прямом напряжении, равном 0 1 В, и Г300 К. [10]

При выдерживании образца в кислороде обратный ток насыщения в нем изменяется. Ток насыщения во втором случае начинается в интервале от 0 1 до 1 0 в. Это приблизительно в 10 раз больше величины напряжения насыщения, нормально наблюдаемой и предсказываемой теоретически [5] для объемного р-га-перехода в германии, IIs [ exp ( evl / cT) — 1 ], откуда для напряжения насыщения V получается около 25 мв. [11]

Такой переход обладает большей величиной обратного тока насыщения / 0, что приводит к большему дробовому шуму, чем у более сильно легированного перехода. Как было указано в разд. В достигается линейность сигнала при изменении его на девять порядков. [12]

Определить, во сколько раз увеличивается обратный ток насыщения сплавного p — n — перехода диода, если температура увеличивается: а) от 20 до 80 С для германиевого диода; б) от 20 до 150 С для кремниевого диода. [13]

Германиевый сплавной p — n — переход имеет обратный ток насыщения / о1 мкА, а кремниевый с такими же размерами — / 0Ю — 8 А. [14]

Увеличение температуры окружающей среды влечет за собой увеличение обратного тока насыщения / jfSo транзистора и уменьшение напряжения БЭпр. [15]

1.2.2. Электронно — дырочный переход при внешнем воздействии

При подключении к p-n-переходу внешнего напряжения плюсом к полупроводнику р-типа (прямое включение) потенциальный барьер для основных носителей уменьшается, через переход потечет ток, увеличивающийся с увеличением внешнего напряжения. При изменении полярности внешнего напряжения (обратное включение) потенциальный барьер увеличивается, весьма малый обратный ток определяется дрейфом только неосновных носителей.

Зависимость тока через переход от приложенного к нему внешнего напряжения определяет так называемую вольтамперную характеристику перехода (ВАХ). Для идеального p-n-перехода имеет место следующая зависимость тока от напряжения

где I_s — обратный ток насыщения неосновных носителей при обратном напряжении на переходе. При u >> 0,025 В величина , поэтому в этом случае можно считать , а при u

На рис.1.4 пунктиром показана ВАХ идеального p — n -перехода в соответствии с выражением (1.4) для тока насыщения, равного 5 мкА, сплошные кривые соответствуют реальным переходам с кристаллом из германия ( Ge ) и кремния ( Si ). Для германия ток насыщения составляет примерно 10 мкА, а для кремния 10 -15 …10 -13 А. В выражение (1.4) для малых токов кремниевого перехода в формулу (1.4) вводят коэффициент m =2…2,5:

Обычно графики для прямых и обратных токов представляются в разных масштабах как для токов, так и для напряжений, поскольку прямые напряжения составляют доли вольта при токах несколько миллиампер , а обратные напряжения – десятки вольт при токе доли и единицы микроампер.

В каждой точке нелинейной ВАХ можно найти производную, которая характеризует дифференциальные проводимость или сопротивление, сильно отличающиеся на прямой и обратной ветвях ВАХ.

На вид и положение ВАХ в значительной степени влияет температура p — n -перехода . Считается, что ток насыщения I_S изменяется примерно в два раза у германиевых переходов и в 2,5 раза у кремниевых на каждые 10 градусов изменения температуры, при этом изменение падения напряжения на переходе составляет –(2…2,5) mВ/ о С. В интегральных схемах это изменение достигает величины -1,5 mВ/ о С.

Максимально допустимые температуры для германиевых переходов составляют 80…100 о С, для кремниевых переходов – 150…200 о С .

© Андреевская Т.М. Кафедра РЭ, МИЭМ, 2005.

Характеристики полупроводниковых диодов

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода представлена на рис. 76 . С увеличением напряжения в направлении проводимости диода (так называемое прямое напряжение) прямой ток через прибор резко увеличивается. При противоположной полярности приложенного напряжения (так называемое обратное напряжение) возникает ток насыщения I0 — обратный ток через n—р-переход, практически не зависящий от величины обратного напряжения.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода аналитически выражается следующей формулой: (88) где I — ток, протекающий через диод; q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; I 0 — ток насыщения (обратный ток); T — абсолютная температура. Рис. 76. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

При комнатной температуре q/kT примерно равно 40 1/в, и формула (88) примет вид I = I 0 (e 40U-1 ). (89) Из формулы (89) следует, что при положительном (прямом) напряжении, приложенном к n—р-переходу, начиная с напряжения порядка 0,04—0,05 в, экспоненциальный член еои много больше единицы, и ток через n — р-переход с увеличением напряжения резко возрастет.

Наоборот, при отрицательных (обратных) напряжениях, экспоненциальный член е — 40U =1/e 40U будет много меньше единицы, им можно пренебречь и считать, что ток, проходящий через полупроводниковый диод , т. е. обратный ток, равен току, проходящему через n — р-переход при отсутствии внешнего напряжения. Если обратное напряжение превысит допустимое максимальное напряжение U обр.макс , то наступит перегрев и разрушение диода. Чем больше протяженность отрицательной ветви вольт-амперной характеристики, тем большей способностью выдерживать без пробоя обратное напряжение обладает диод. Пробой наступает вследствие того, что под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей, увеличивают свою энергию и, двигаясь с повышенными скоростями внутри полупроводника, ионизируют его нейтральные атомы. Появляются новые свободные электроны и дырки, что приводит к лавинообразному увеличению обратного тока, а следовательно, и к перегреву n — р-перехода. Сопротивление n — р-перехода переменному току в данной точке вольт-амперной характеристики определяется ее наклоном и может быть определено дифференцированием выражения (88): (90) откуда При комнатной температуре можно считать, что где I и I 0 — в миллиамперах, R — сопротивление полупроводникового диода — в омах. Формула (90) и характеристика сопротивления R, представленная пунктиром на рис. 76 , показывают, что с увеличением тока сопротивление перехода падает и составляет величину порядка единиц или даже десятых долей ома. При обратном напряжении, когда I → I 0 , сопротивление n — р-перехода имеет величину порядка десятков и сотен тысяч ом. Анализ вольт-амперной характеристики полупроводникового диода показывает, что он является нелинейным элементом, его сопротивление меняется в зависимости от величины и знака приложенного напряжения. Эти свойства полупроводникового диода позволяют его использовать для выпрямления переменного тока, преобразования частоты, ограничения амплитуд и т. д.

1. Прямой ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено постоянное прямое напряжение в один вольт.
2. Обратный ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено наибольшее постоянное допустимое обратное напряжение.
3. Обратное пробивное напряжение — напряжение, при котором диод выходит из строя.
4. Допустимая амплитуда обратного напряжения — наибольшая амплитуда обратного напряжения, которая может быть приложена к прибору в обратном направлении в течение продолжительного времени, не вызывая пробоя.
5. Среднее значение выпрямленного тока — постоянная составляющая выпрямленного тока диода, которая может протекать через диод долгое время, не вызывая его перегрева.

Для оценки электрических свойств полупроводниковых плоскостных диодов пользуются следующими параметрами:

1. Подводимое переменное напряжение — максимальное действующее значение переменного синусоидального напряжения в вольтах, которое можно подавать на вход диода в течение продолжительного времени без пробоя.
2. Прямое падение напряжения — среднее значение напряжения на диоде при максимально допустимом выпрямленном токе. Оно характеризует внутреннее сопротивление прибора при прохождении через него прямого тока и обычно составляет величину порядка десятых долей вольта.
3. Выпрямленный ток — постоянная составляющая тока диода, которая при длительном протекании через диод не вызывает его перегрева, измеряется в миллиамперах или в амперах.
4. Обратный ток — среднее значение обратного тока диода, когда к нему приложено допустимое обратное переменное напряжение. Он характеризует внутреннее сопротивление диода в обратном направлении.

Основные особенности вольт-амперной характеристики полупроводникового диода по сравнению с соответствующей характеристикой вакуумного диода заключается в следующем:

1. При изменении знака приложенного напряжения в полупроводниковом диоде меняется направление тока, протекающего через прибор, а в вакуумном диоде оно остается неизменным.
2. При отсутствии внешнего приложенного напряжения в полупроводниковом диоде отсутствует ток, а через вакуумный диод протекает небольшой начальный ток.
3. При отрицательных (обратных) напряжениях через полупроводниковый диод протекает обратный ток порядка единиц и десятков микроампер, а в вакуумном диоде ток практически отсутствует.

В отличие от точечных полупроводниковых диодов, у которых большинство параметров измеряется на постоянном токе, все параметры плоскостных полупроводниковых диодов измеряют обычно на переменном токе с частотой 50 гц.

2.1.2. Характеристики и параметры

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) диода определяет зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения.

ВАХ идеального p-n-перехода определяется соотношением (2.1):

Однако в реальных диодах ВАХ отличаются от (2.1), что объясняется тем, что, во-первых, для разных типов материалов полупроводникового кристалла обратный ток насыщения сильно зависит от температуры; во-вторых, при большом обратном напряжении, при котором измеряется ток насыщения, наблюдается термогенерация носителей непосредственно в области перехода; в-третьих, в реальных диодах наблюдаются поверхностные утечки тока (дополнительные проводимости); в-четвертых, при анализе процессов в p-n -переходе не учитываются ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением r_б, приводит к тому, что прямая ветвь диода идет ниже, чем у идеального p-n -перехода.

В реальных диодах необходимо оценивать все эти явления и учитывать, что обратный ток диода складывается из теплового тока, тока термогенерации и тока утечки. В германиевых диодах основную роль играет тепловой ток, который удваивается при увеличении температуры окружающей среды на каждые 7…10 о С. Соизмерим с ним и ток утечки, но последний мало зависит от температуры, но зависит от величины обратного напряжения. В кремниевых диодах тепловой ток удваивается на каждые 8…12 о С, но он на 6…7 порядков ниже, чем у германиевых диодов. Основными составляющими обратного тока кремниевого диода являются токи термогенерации и утечки, поэтому обратный ток кремниевых диодов отличается от обратного тока германиевых диодов всего на 1,5…2 порядка, и в обоих диодах он не остается постоянным при изменении обратного напряжения, а медленно возрастает при его увеличении.

При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2…10 мА. Кроме того, прямая ветвь ВАХ отклоняется от идеальной из-за наличия токов рекомбинации в p-n-переходе, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей. С учетом падения напряжения на базе уравнение прямой ветви может быть представлено в виде

Обычно напряжение на реальном диоде на доли вольта больше, чем в идеальном.

Для оценки ВАХ реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток I_обр, который измеряют при определенном значении обратного напряжения. В паспортных данных обычно для каждого вида диода указывается максимально допустимое значение обратного тока.

Диоды характеризуются достаточно большим числом параметров. Общими практически для всех типов являются следующие:

I_{пр,макс} – максимально допустимый постоянный прямой ток;

U_пр – постоянное прямое напряжение, соответствующие заданному току;

U_{обр,макс} – модуль максимально допустимого обратного напряжения;

I_{обр,макс} – максимально допустимый постоянный обратный ток;

r_диф – дифференциальное сопротивление диода в заданном режиме работы.

© Андреевская Т.М. Кафедра РЭ, МИЭМ, 2005.