Caracteristica curent-tensiune reala a jonctiunii pn

Caracteristica curent-tensiune reala a jonctiunii pn

Relatia lui Shockley (12.90) descrie bine caracteristica curent-tensiune a jonctiunilor de Ge la densitati mici ale curentilor, cand fenomenele de generare si recombinare a purtatorilor din regiunea de trecere se pot neglija.

Pentru jonctiuni de Si, GaAs si jonctiuni pn groase caracteristica curent-tensiune reala prezinta unele abateri de la caracteristica ideala, datorita fenomenelor de generare si recombinare din regiunea de trecere, efectelor de suprafata si a efectelor de la capetele jonctiunii.

In polarizare directa U_A>0, campul electric din regiunea de sarcina spatiala fiind mai slab decat in conditiile de echilibru termic, concentratiile purtatorilor de sarcina si viteza de recombinare vor fi mai mari, astfel incat rezulta o viteza neta de recombinare. Ca urmare curentul prin jonctiune va cuprinde, pe langa componenta de difuzie-recombinare a curentului direct exprimat prin relatia (12.90) si o componenta de generare-recombinare I_gr.

Se poate arata ca pentru tensiuni de polarizare directe care indeplinesc conditia: U_A>3k_BT/e, curentul de generare recombinare se exprima prin relatia:

(12.106)

unde I_0gr este curentul de saturatie corespunzator fenomenelor de generare-recombinare. Daca se ia in considerare si influenta centrelor de recombinare de la suprafata semiconductorului care apar datorita intreruperii periodicitatii retelei semiconductorului la suprafata, curentul total de saturatie corespunzator fenomenelor de generare-recombinare va fi exprimat prin doi termeni, unul determinat de curentul de generare-recombinare din volumul semiconductorului, I_0grv, si unul determinat de curentul de generare-recombinare la suprafata, I_0grs:

(12.107)

unde s₀ este viteza efectiva de generare-recombinare la suprafata si S_s este aria suprafetei semiconductorului cuprinsa in regiunea de sarcina spatiala.

In polarizare inversa, U_A<0, perechile de electroni si goluri generati termic in regiunea de trecere sunt separati de campul electric, electronul deplasandu-se in sens contrar campului, adica spre regiunea n iar golul care se deplaseaza in senul campului se deplaseaza catre regiunea p. Pentru tensiuni de polarizare inverse, U_A, mai mari in valoare absoluta de 3k_BT/e=0,078 V, acestor deplasari de sarcina le va corespunde un curent de generare, I_0gr, care se adauga la curentul invers de saturatie I_0gr. Astfel curentul prin jonctiunea polarizata invers va fi dat de expresia:

(12.107)

Avand in vedere ambele componente ale curentului electric, de componenta de difuzie-recombinare dat de relatia (12.90) si de componenta de generare-recombinare (12.106), expresia matematica a caracteristicii statice a jonctiunii pn este:

(12.108)

Dependenta curentului de saturatie I_0gr de tensiunea aplicata U_A exprimata prin intermediul largimii de trecere , conform relatiei (12.50), este mult mai slaba decat a termenului exponential si din aceasta cauza I_0gr se poate considera aproximativ constant in raport cu tensiunea de polarizare. In jonctiunile pe baza de Si curentul de saturatie este determinat practic numai de fenomenele de generare si recombinare: I₀= I_0gr. Pentru jonctiunile pe baza de Ge. Cele doua componente pot deveni comparabile.

In polarizare directa pentru tensiuni mai mari de 3k_BT/e=0,078 eV, la temperatura T=300 K, curentul direct al jonctiunii poate fi aproximat prin relatia:

(12.109)

Pentru jonctiunile pe baza de Ge predomina curentul de difuziune-recombinare, in timp ce la jonctiunile pe baza de Si, la tensiuni de polarizare mici, predomina curentul de generare-recombinare, pe cand la tensiuni mari predomina curentul de difuzie-recombinare.

In circuitele electronice practice, caracteristica curent-tensiune a jonctiunii pn se aproximeaza prin relatia:

(12.110)

unde h=2 la curenti mici (sub 0,1 mA) si h=1 la curenti mari (peste 0,1 mA) pentru jonctiunile cu Si, iar I_s este curentul de saturatie.

In Fig. 12.14 sunt prezentate caracteristicile statice curent-tensiune ale jonctiunilor pe baza de Ge si Si. Datorita modului de variatie exponential al curentului prin jonctiune cu tensiunea aplicata din exterior, se observa ca intr-un domeniu limitat de curent tensiunea pe jonctiune in polarizare directa poate fi presupusa constanta. Valoarea tipica a acesteia se numeste tensiunea de deschidere (offset) a jonctiunii, U_d, si are valoarea tipica de 0,3 V pentru Ge si 0,7 V pentru Si.

La diodele cu Si deschiderea diodei are loc pentru o tensiune cu 0,4 V mai mare decat la cele pe baza de Ge, deoarece curentul invers de saturatie al diodei cu Si este de 10³ ori mai mic decat curentul de saturatie al unei diode cu Ge de aceleasi dimensiuni. Deci, daca I₀ este de ordinul microamperilor la dioda cu Ge, la dioda cu Si, curentul de saturatie este de ordinul nanoamperilor. Datorita dependentei initial redusa a curentului cu tensiunea, in domeniul curentilor mici, la diodele cu Si apare o intarziere relativ mare a cresterii cu tensiunea I_A exp(eU_A/2k_BT).

Fig. 12.14. Caracteristicile statice curent-tensiune ale jonctiunilor de Ge si Si.

Un alt efect de care trebuie sa se tina seama la studiul caracteristicii statice curent-tensiune a unei jonctiuni semiconductoare, este si efectul la nivel mare de injectie, care apare odata cu cresterea curentului prin jonctiunea polarizata direct. La nivel mare de injectie, in regiunile neutre apar campuri electrice care nu mai pot fi neglijate si ca urmare o parte din tensiunea U_A aplicata jonctiunii, U_J se aplica intre limitele regiunii de trecere, iar cealalta parte, U_R, cade pe rezistentele regiunilor neutre ale celor doua zone n si respectiv p ale jonctiunii. Rezistenta totala, R_s, a regiunilor neutre se numeste rezistenta serie a jonctiunii. Presupunand ca in aceste conditii in relatia (12.110) se poate neglija unitatea din paranteza, intre tensiunea de polarizare directa U_A si curentul prin jonctiune I_A exista relatia:

(12.111)

Relatia (12.111) indica abaterea caracteristicii statice curent-tensiune de la legea exponentiala (12.110) si cresterea tensiunii pe jonctiune la nivele mari de injectie (Fig. 12.15). Rezulta ca pentru a trece prin jonctiune un anumit curent I_A este necesara aplicarea unei tensiuni U_A mai mari decat cea teoretica sau altfel spus, la curenti mari, cresterea curentului I_A odata cu cresterea tensiunii aplicate U_A se face mai incet in comparatie cu cresterea teoretica exponentiala.

Fig. 12.15. Efectul nivelului mare de injectie asupra

caracteristici statice curent-tensiune.

La curenti foarte mari, la care dispare separarea dintre regiunile neutre si cea de sarcina spatiala, jonctiunea se comporta ca o rezistenta, avand o dependenta a curentului de tensiune aproape liniara. Se poate arata ca tensiunea pe jonctiune in polarizare directa nu poate depasi valoarea tensiunii interne U₀ de la echilibru termic, care pentru Si este in jur de 0,8-0,9 V.