,

где , - равновесные кон­центрации основных носителей.

При  1 – уровень инжек­ции считают средним, при  >1 – высоким. В этих случаях в p- и n-областях возникают не­скомпенси­рованные объемные заряды и элек­тронейтральность p- и n-областей нарушается.

Мы будем полагать, что  <<1, то есть уровень инжек­ции низкий и p- и n-области за грани­цами p-n - перехода элек­трически нейтральны.

Обратное включение напряжения

Обратным называется та­кое включение внешнего напря­жения U, при котором его по­лярность совпа­дает с электриче­ским полем контактной разно­сти потенциа­лов p-n пе­рехода.

Под действием U потенци­альный барьер возрас­тает до вели­чины , равновесие нару­шается и через переход ­течет дрейфовый ток неосновных носителей заряда: дырок из n-об­ласти в p-область и электронов - в обратном направлении. Вследствие ухода неосновных носителей их концентрации в p-n - переходе снизятся до значений, близких к нулю. Это явление называют экстракцией неосновных носителей заряда. Ток, возникающий при обратном включении напряжения, называют обратным то­ком насыщения I0. При возрастании напряжения обратный ток практически не меняется и может возрастать лишь за счет увеличения концентраций неосновных носителей заряда np и pn, то есть, при увеличении T. Поэтому I0 называют тепловым током.

ВАХ идеального p-n перехода

ВАХ определяется уравнением: , где - об­ратный ток насыщения. При достаточно больших положи­тельных U (прямая ветвь) I возрастает по экспоненциальному закону.

Физические процессы в диоде

Полупроводниковый диод – полупроводниковый прибор с одним p-n - переходом, имеющий два вывода. При этом одна из областей p-n - перехода имеет более высокую концентрацию примесей и образует эмит­тер, а вторая область – базу.

ВАХ идеального диода описывается уравнением: . Однако, в реальных диодах протекают физические процессы, неучтенные при анализе идеального p-n - перехода.

Диод при подключении обратного напряжения

Рассмотрим обратную ветвь ВАХ реального диода (см. рис.).

Полный обратный ток определяется суммой составляющих: .

Тепловой ток В реальных диодах тепловой ток I0 (обратный ток насыщения) является частью полного обратного тока Iобр и определяется как: , где T0=300K, , - постоянный коэффициент.

Ток генерации

В реальных диодах в p-n переходе происходит генерация и рекомбинация носите­лей заряда.

Генерация носителей заряда происходит под действием контактной разности по­тенциалов и внешнего обратного напряжения U. Ток генерации можно записать так:

, где e - заряд электрона, S - площадь поперечного сечения p-n перехода, d - ширина p-n перехода, n_i - концентрация собственных носителей заряда, и - время жизни носителей заряда. Как видно из уравнения, ток I_g пропорционален ши­рине запирающего слоя d, поэтому I_g растет пропорционально .

Ток I_g представляет собой скорость образования собственных носителей заряда.

Ток утечки

Ток утечки I_у определяется поверхностными явлениями и пропорционален обрат­ному напряжению U.

Диод при подключении прямого напряжения

При подключении к диоду прямого напряжения уменьшается потенциальный барьер , нарушается равновесие и возникает диффузионный ток , при котором начинается инжекция неосновных носителей заряда. На­ряду с диффузионным током в p-n переходе возникает также ток реком­бинации:

При низких прямых напряжениях U ток рекомбинации I_r составляет за­метную долю в прямом токе I, с уве­личением U диффузионный ток рас­тет быстрей и его доля становится преобладающей.

Объемное сопротивление базы

В случае низкого уровня инжекции (<<1) концентрация подвижных носителей за­ряда в базе диода меняется мало и объемное сопротивление базы равно:

, где - удельное сопротивление базы, - длина базы (n- об­ласти).

При невысокой степени легирования базы (n-области) (N_D<<N_A) ее объемное со­противление сравнимо с сопротивлением p-n перехода. В этом случае необходимо учитывать падение напряжения на базе:

.

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ диода.

ВАХ кремниевого (Si) и германиевого (Ge) диодов

Ge – ; Si –

Биполярный транзистор

Транзистор - полупроводниковый прибор с несколькими электрическими переходами, имеющий три или более выводов (термин транзистор происходит от английского слова “transfer of resistor” - преобразователь сопротивления).

Биполярный транзистор - транзистор, в котором используются носители зарядов обеих полярностей.

Устройство транзистора, выполненного по планарной технологии (n-p-n транзистор) 1-коллектор; 2-база; 3-эмиттер

Схема включения p-n-p транзистора с общей базой

Рассмотрим работу p-n-p транзистора, включенного по схеме с общей базой. Пусть N_А.Э.=N_А.К. и N_Д.Б. << N_А.Э. Тогда большая часть запирающего слоя эмиттерного dэ и коллекторного dк переходов находится в базовой области.

Энергетическая диаграмма и распределение потенциала в p-n-p - транзисторе без внешнего напряжения		Система находится в состоянии равновесия и характеризуется единым уровнем Ферми ЕFp= ЕFn. Контактные разности потенциалов и потенциальные барьеры соответственно равны: эб, кб, еэб, екб.
Энергетическая диаграмма и токи в транзисторе при включении внешнего напряжения	При работе транзистора в активном режиме на эмиттерный переход подается прямое напряжение (Uэ>0), на коллекторный переход - обратное (Uk<0). Таким образом, контактная разность потенциалов, потенциальный барьер и ширина эмиттерного перехода уменьшаются [(эб-Uэ), е(эб-Uэ), dэ], а на коллекторном переходе - увеличиваются [(эб+Uэ), е(эб+Uэ), dk].

В результате на эмиттерном переходе начинается диффузионное движение основных носителей (зарядов, дырок), происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Ширина базы выбирается такой, что время жизни неосновных носителей - дырок _р >> времени движения в базе. Таким образом, ~99% дырок не успевают рекомбинировать с электронами в базе и втягиваются в коллектор. Происходит экстракция дырок из базы в коллектор, т.е. возникает коллекторный ток I_К.

Таким образом, ток эмиттера I_э является управляющим током, а ток коллектора I_К - управляемым. Ток базы представляет собой I_б = I_э - I_К и возникает за счет рекомбинации дырок и электронов.

Токи в транзисторе

Многие физические процессы в транзисторе аналогичны процессам в полупроводниковом диоде: инжекция неосновных носителей в базу, экстракция из базы, изменение потенциального барьера p-n - переходов и т.д. Отличием транзистора является взаимосвязь p-n переходов, т.е. изменение тока в эмиттерном переходе I_э влияет на изменение тока в коллекторном переходе I_к.

На основании закона Кирхгофа: I_э = I_к +I_б.

Ток эмиттера. I_э= I_эр +I_эn +I_эr , где I_эр,I_эn - токи инжекции дырок из эмиттера в базу и электронов - из базы в эмиттер; I_эr - ток рекомбинации дырок в эмиттерном переходе. Т.к. р_рэ>>n_nб, то I_эр>>I_эn. При рабочих напряжениях в транзисторе I_эр>>I_эr. Таким образом I_э  I_эр.

Ток коллектора. I_k = I_kp + I_обр., где I_kp - ток экстракции дырок из базы в коллектор; I_обр. - обратный ток в коллекторном переходе.

Ток I_обр.= I₀+I_g+I_y (по аналогии с обратным током в полупроводниковом диоде). Для кремниевых транзисторов I_g >>I₀>>I_y. Таким образом I_k = I_kp + I_kg, где I_kg - ток генерации носителей заряда в коллекторном переходе.

Коэффициент передачи тока эмиттера 

Ток коллектора I_k можно записать: I_k = I_kp + I_обр.=  I_э + I_обр., где  - коэффициент передачи тока эмиттера. Таким образом:  = (I_k - I_обр.)/ I_э. Обычно   0,950,99.

Коэффициент передачи тока базы 

 = /(1- ). Поскольку   0,950,99, то   20100.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы - полупроводниковые приборы, в которых ток через канал управляется электрическим полем, возникающем при приложении напряжения между затвором и истоком. Каналы - это область кристалла, в которой поток носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения или концентрации носителей заряда в этой области. Исток - электрод полевого транзистора, через который в каналы втекают носители заряда. Сток - электрод, в который из канала вытекают носители заряда. Затвор - электрод, к которому прикладывается управляющее напряжение.

Полевые транзисторы называют также униполярными, т.к. токи в них образованны носителями зарядов одного знака (основными носителями).

Схема МОП - транзистора с индуцированным р-каналом 1 - подложка; 2 - исток; 3 - сток; 4 - затвор; 5 – окисел (SiO2)

Наиболее часто используются полевые транзисторы с изолированным затвором: МДП - транзисторы (металл - диэлектрик - полупроводник) и МОП - транзисторы (металл - окисел - полупроводник). МОП - транзистор с индуцированным р-каналом работает лишь при подаче на затвор отрицательного напряжения Uз<0 относительно истока Uи=0 и подложки Uп=0.

Рассмотрим работу и физические процессы, происходящие в МОП - транзисторе с индуцированным р - каналом.