При комнатной температуре Го=300К собственная концентрация кремния (nisi»2-10° см-) на три порядка меньше,чем германия (n,Ge=2,5-Юз см-2). Если учесть, что коэффициент диффузии для германия в 3,5 раза больше кремния, то при одинаковых условиях тепловой ток в германии на шесть порядков больше, чем в кремнии.

Тепловой ток пропорционален равновесной концентрации неосновных носителей заряда в базе. Равновесная концентрация с ростом температуры увеличивается по экспоненциальному закону, поэтому температурная зависимость теплового тока описывается экспоненциальной функцией

Io{T) = ro{T)e, (3.23)

где Го=300 К;

а - коэффициент для германия 0,09 град- и для кремния 0,13 град-; Д7 = Г-Го - перепад температур.

Ориентировочно удвоение теплового тока в германиевых переходах происходит с повышением температуры на 10° С и на 7° С в кремниевых. Реальный переход имеет конечную ширину /п, поэтому следует учитывать процессы генерации и рекомбинации носителей в объеме 1/п=5/п самого перехода.

Возникающие в результате генерации пары носителей заряда переносятся полем перехода, образуя дополнительную составляющую обратного тока - ток термогенерации Ig. В равновесном состоянии ток Ig компенсируется встречным и равным ему током рекомбинации 1г, образуемым теми основными носителями, которые проникают Б переход, но из-за недостатка энергии не преодолевают потенциальный барьер, тормозятся полем перехода и рекомби-нируют Б нем.

Внешнее напряжение, приложенное к переходу, нарушает равновесие токов Ig и 1г. При увеличении обратного напряжения возрастают ширина перехода /побр и его объем SZno6p и соответственно возрастает ток Ig, поэтому обратная ветвь ВАХ реального перехода имеет конечный наклон. При обратном смещении перехода увеличивается высота потенциального барьера в нем, вследствие чего уменьшаются глубина проникновения частиц в переход и ток рекомбинации If

Заметим, что ток Ig германиевого перехода намного меньше теплового. У кремниевых переходов даже при комнатной температуре ток Ig на несколько порядков больше теплового.

Ток утечки /у обусловлен поверхностными явлениями полупроводника (появлением пленок оксидов, молекул газов и т. д.), шунтирующими переход. Ток утечки растет пропорционально обратному напряжению, нестабилен во времени, слабо зависит от температуры.

Полный обратный ток в электронно-дырочном переходе

S/o6p = /o + /r-f/r-f/у. (3-24)

На рис. 3.7 он представлен штриховой обратной ветвью ВАХ перехода. В нормальных условиях - (Г=300 К) обратный ток германиевых переходов в основном определяется тепловым током, а в кремниевых - током генерации.

§ 3.5. Емкости электронно-дырочного перехода

По обе стороны границы электронно-дырочного перехода действуют различные по знаку объемные электрические заряды. Значение объемных зарядов в самом переходе и за его пределами зависит от полярности и значения внешнего напряжения, приложенного к переходу. В связи с этим различают барьерную и диффузионную емкости электронно-дырочного перехода.

Барьерная (зарядная) емкость обусловлена перераспределением зарядов, сосре оточенных в двух тонких слоях (рис. 3.8), расположенных по обе стороны от границы электронно-дырочного перехода, что напоминает поверхностные заряды на обкладках конденсатора.

Барьерную емкость можно определить как отношение изменения объемного заряда Qn в собственно переходе к вызвавшему его изменению напряжения CQa\-,=dQnldU. Применительно к несимметричному переходу, в котором NN, можно принять Na + N-Nn и считать запирающий слой сосредоточенным в базовой п-области, тогда в соответствии с выражением (3.14) ширина перехода

Z l/[2Ee,(Afo+f/)/e]iV,. (3.25)

Величина граничного заряда в переходе (применительно к базовой п-области)

где S и / - площадь и ширина перехода.

Подставляя значение I из формулы (3.25) и дифференцируя изменения объемного заряда по напряжению, получим барьерную емкость перехода при обратном смещении, т. е. при t/o6p Афо:

С, = ---. (3.26)

С увеличением обратного напряжения область объемного заряда расширяется (/обр увеличивается), а барьерная емкость уменьшается. На рис. 3.9 показано изменение барьерной емкости несимметричного (кривая /) и плавного (кривая 2) переходов при изменении обратного напряжения. Эту зависимость Сбэр=ф(С/обр) именуют вольт-фарадной характеристикой перехода.

При прямом смещении перехода его ширина сужается (/пр уменьшается), а Cgap возрастает.

p-affnaat\ \п-обпаст1,

111,

I i

Рис. 3.8. Изменение толщины р-п-переходаи объемного заряда при изменении напряжения на р-п-переходе

Рис. 3.9. Вольт-фарадная характеристика р-п-перехода

Диффузионная емкость обусловлена перераспределением зарядов Б областях, примыкающих к переходу, в результате инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. При прямом смещении перехода происходит инжекция носителей заряда в базу. По обе стороны от перехода на расстоянии примерно диффузионной длины носителей накапливаются подвижные заряды. Изменение внешнего напряжения сопровождается изменением плотности инжектируемых зарядов в областях и характеризует диффузионную емкость. Она определяется отношением приращения инжектированного заряда Б базе к вызвавшему его приращению напряжения на переходе Сдиф= 5(Эинш/. Диффузионную емкость связывают с изменением заряда инжектированных неосновных носителей. Ее нельзя связывать с прохождением токов смещения. В этом физическое отличие диффузионной емкости от барьерной емкости р-п-перехода и от емкости обычного конденсатора. Абсолютное значение отношения взято для того, чтобы не было путаницы из-за правила знаков для напряжения и инжектированного заряда, который также может быть как положительным, так и отрицательным.

Диффузионная емкость зависит от значения прямого тока /„р в переходе, времени жизни неосновных носителей Тр, ширины базы йУб- С увеличением прямого напряженияувеличивается прямой ток Б переходе, а следовательно, и избыточная концентрация неосновных носителей в базе. Чем больше время жизни неосновных носителей, тем дольше существует избыточный заряд и больше диффузионная емкость.

Если ширина базы больше диффузионной длины Lp инжектируемых носителей w„>Lp, то диффузионная емкость

С,иф«(е/йГ)/„рТ/,. (3.27

При малой ширине п-базы {Wn<Lp) диффузионная емкость

C,,(e/kT)I„,{wlf2D) = (e/kT)I„,t„ (3.28)

где д = ш„2Л -среднее время пролета носителей через базу.