2.4. Влияние температуры на вах p-n-перехода

Вольтамперные характеристики p-n-перехода для двух значений температуры окружающей среды приведены на рис. 2.6.  С ростом температуры падает прямое напряжение на p-n-переходе при заданном токе и растет обратный ток при заданном напряжении.

 Прямой ток p-n-перехода определяется ПОНЗ, кот орый зависит от величины потенциального барьера в p-n-переходе. Увеличение температуры приводит к уменьшению потенциального барьера, а следовательно,  к увеличению прямого тока.

Обратный ток p-n-перехода определяется ПННЗ. Увеличение температуры приводит к увеличению скорости тепловой генерации, концентрация неосновных носителей заряда в полупроводнике растет, а следовательно,  растет обратный ток.

Для количественной оценки влияния температуры на ВАХ p-n-перехода используют два параметра.

Температурный коэффициент напряжения (ТКН) показывает, на сколько изменится прямое напряжение на p-n-переходе (DU) при заданном изменении температуры DТ при постоянном токе через  p-n-переход:

.

Для германиевых p-n-переходов ТКН » -2 мВ/град, для кремниевых p-n-пе-реходов ТКН  » -3 мВ/град.

Температура удвоения обратного тока p-n перехода Т^* позволяет рассчитать обратный ток i_ОБР(Т₀ + DТ) при возрастании температуры на DТ по известному значению обратного тока при заданной температуре Т₀.

i_ОБР(Т₀ + DТ) = i_ОБР(Т₀)·2^DТ/Т*.

Для германиевых p-n-переходов обратный ток удваивается на каждые  10°C (Т* = 10°C) , для кремниевых - Т* = 8°C.

2.5. Емкости p-n-перехода

При подаче на p-n-переход переменного напряжения проявляются емкостные свойства.

Образование p-n-перехода связано с возникновением пространственного заряда, создаваемого неподвижными ионами атомов доноров и акцепторов. Приложенное к p-n-переходу внешнее напряжение изменяет величину пространственного заряда в переходе. Следовательно, p-n переход ведет себя как своеобразный плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область пространственного заряда, обедненная носителями заряда и имеющая большое сопротивление.

Такая емкость p-n-перехода называется барьерной. Барьерная емкость C_Б может быть рассчитана по формуле

,

где

S - площадь p-n-перехода; e ·e₀ - относительная (e) и абсолютная (e₀) диэлектрические проницаемости; D - ширина p-n-перехода.

Особенностью барьерной емкости является ее зависимость от внешнего приложенного напряжения. С учетом (2.2) барьерная емкость для резкого перехода рассчитывается по формуле:

,

где знак ” + “ соответствует обратному , а ”-“ прямому напряжению на переходе.

З ависимость барьерной емкости от обратного напряжения называется вольтфарадной характеристикой (см. рис. 2.6). В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная емкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением r_pn .

Кроме барьерной емкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной емкостью. Диффузионная емкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы.

Диффузионная емкость может быть рассчитана следующим образом:

,

где t_n  - время жизни электронов в базе.

Величина диффузионной емкости пропорциональна току через p-n-переход. При прямом напряжении значение диффузионной емкости может достигать десятков тысяч пикофарад. Суммарная емкость p-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей. При обратном напряжении C_Б > C_ДИФ; при прямом напряжении преобладает диффузионная емкость C_ДИФ >> C_Б.

Рис. 2.7

Эквивалентная схема p-n-перехода на переменном токе представлена на рис. 2.7. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n-перехода r_pn включены две емкости C_Б  и C_ДИФ ; последовательно с r_pn включено объемное сопротивление базы rў_Б. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на  p-n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, r_pn  шунтируется емкостным сопротивлением и общее сопротивление p-n-перехода определяется объемным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n-переход теряет свои нелинейные свойства.