электроника шпоры по вопросам 2006 (Шпоры по Созинову), страница 2

Туннельный пробой возникает при большой напряженности электрического поля в тонком p-n переходе между высоколегированными полупроводниками в результате тунеллирования электронов из валентной зоны p-слоя в зону проводимости n-слоя. Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n перехода полностью восстанавливаются, если отключить источник ЭДС от перехода. Благодаря этому оба вида пробоя используются в качестве рабочих режимов в полупроводниковых диодах.

Эффект прохождения электрона сквозь узкий потенциальный барьер называют туннельным эффектом. Для преодоления потенциального барьера валентные электроны должны получить энергию извне. Однако, как известно из курса физики, электроны могут просочиться сквозь узкий потенциальный барьер даже тогда, когда их энергия меньше высоты потенциального барьера. При тунеллировании электрон должен оставаться на одном и том же энергетическом уровне

ВОПРОС 8

В современных полупроводниковых приборах применяются также контакты между металлами и полупроводниками. Процессы в таких переходах зависят от работы выхода электронов, то есть от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выход, тем больше электронов может выйти из данного тела

Рисунок 17 – Контакт металла (М) с полупроводником

Если в контакте металла с полупроводником n-типа (рис 17а) работа выхода электронов из металла Ам меньше, чем работа выхода из полупроводника, то будет преобладать выход электронов и металла. Поэтому в слове полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны) и этот слой становится обогащенным. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения. Такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником p-типа (рис 17б). если работа выхода электронов из полупроводника меньше чем у металла.

Иные свойства имеет переход как на рисунке 17в. В этом случае электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями и потому имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно изменяться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает выпрямительными свойствами. Этот потенциальный барьер называется барьер Шотки, а полупроводниковые диоды называются диодами Шотки. В диодах Шотки отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов. Поэтому диоды обладают значительно более высоким быстродействием по сравнения с обычными p-n переходами. Аналогичные выпрямляющие свойства имеет контакт металла с полупроводником p-типа при Ам < Ап.

ВОПРОС 11

Рис 20 эквивалентная схема p-n перехода

- емкость перехода; - сопротивление (прямое или обратное) перехода; - объемное сопротивление областей, примыкающих к обеим сторонам объединенного слоя

В p-n переходе есть Rо – сопротивление постоянному току, и Rдиф – сопротивление переменному току

Дифференцирование уравнения (1) с учетом формулы (2) дает простое соотношение для расчета дифференциального сопротивления в заданной точке ВАХ:

ВОПРОС 9

Рисунок 12 – ВАХ p-n перехода

1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое; 4 – обратная ветвь при туннельном пробое.

Зависимость тока через p-n переход от величины напряжения называется его ВАХ. При расчете ВАХ предполагается, что электрическое поле вне объединенного слоя отсутствует. ВАХ p-n перехода описывается выражением

Где I – ток, текущий через p-n переход; q – заряд электрона; Uвн – напряжение, приложенное к p-n переходу; k – постоянная Больцмана; T – температура по Кельвину; Io – обратный ток (ток насыщения)

Выражение (1) принято называть уравнением Эберса-Молла. Это уравнение представляет наиболее общий вид теорет. ВАХ p-n перехода и является основой для любых других более точных описаний физических процессов в переходе. Для прямого напряжения можно пренебречь 1 по сравнению с экспотенциальной составляющей

При обратном напряжении порядка 0,1 – 0,2В экспотенциальное выражение в выражении (1) много меньше единицы:

На практике ток прямой много меньше тока прямого теоретического

ВАХ перехода металл-полупроводник

Расчет транспортных процессов носителей заряда в структуре металл-полупроводник, исходящий из представления термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника и собирания термоэлектронов поверхностью металла дает следующее выражение для ВАХ:

Где , где А – коэффициент, зависящий от свойств материала;

- контактная разность потенциалов; U – напряжение, приложенное к переходу металл-полупроводник

ВОПРОС 10

Объединенный слой имеет свою ширину L. При нарушении условия равновесия границы объединенного слоя не остаются постоянными.

Возрастание обратного напряжения уменьшает число основных носителей в области объемного заряда, в результате объединенный слой расширяется. Возрастание прямого напряжения вызывает рост инжекции в область объемного заряда, увеличивается число подвижных носителей, ширина объединенного слоя уменьшается.

Диффузионное введение при снижении высоты энергетического барьера носителей заряда через переход из областей, где они были основными в области, где они становятся неосновными, называется инжекцией носителей заряда.

Инжекция носителей изменяет распределение концентрации подвижных носителей в объединенном слое и вблизи его границ. Это измененное распределение концентрации носителей заряда принято считать неравновесной концентрацией, обозначая:

Pn – для дырок; Np – для электронов.

Процесс выведения подвижных носителей заряда из областей полупроводника, где они являются неосновными, под действием ускоряющего поля p-n перехода, созданного обратным напряжением, называется экстракцией.

Расчеты показывают, что ширина объединенного слоя может быть определена следующим соотношением:

Где - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала;

- электрическая постоянная; Nак – концентрация акцепторной примеси в переходе; Nдон – концентрация донорной примеси в переходе; «+» соответствует обратному включению; «-» соответствует прямому включению электронно-дырочного перехода

ВОПРОС 12

Ток или напряжение, подводимые к p-n переходу, могут изменяться во времени по величине или по знаку через очень короткие интервалы времени. В реальном p-n переходе эти изменения не могут произойти мгновенно из-за инерционности процессов перезаряда емкости p-n перехода. Поэтому стационарное значение тока или напряжения устанавливается в течение некоторого промежутка времени. Переходные процессы сильно зависят от числа инжекторов носителей. Если уровень инжекции невелик, то основное влияние на время установления (tуст) сопротивления прямо включенного перехода и время восстановления сопротивления (tвосст) обратно включенного перехода оказывает процесс перезаряда барьерной емкости перехода

При высоких уровнях инжекции накопление и рассеивание инжектированных носителей определяет время переключения p-n перехода

рис 21 переходные процессы в реальном p-n переходе

время установления сопротивления прямо включенного перехода определяется инжекцией носителей по обе стороны объединенного слоя и их диффузионным перемещением в области проводника, примыкающие к этому слою, уменьшающих объемное сопротивление областей до стационарного значения.

Коммутация p-n перехода из прямо включенного в обратно включенное состояние сопровождается резким увеличением обратного тока за счет интенсивного рассеивания неравновесных носителей в объединенном слое p-n перехода с последующим экспоненциальным уменьшением этого тока до стационарного значения теплового тока Io. Время восстановления определяется по формуле:

Плотность заряда переключения определяется концентрацией инжектированных носителей в области полупроводника и геометрией всей полупроводниковой структуры.

Для плоскопараллельной конструкции:

Где - плотность тока переключения; q – заряд электрона; - неравновесные концентрации неосновных носителей инжектированных соответственно в p и n области; W – протяженность всей полупроводниковой структуры, расположенной между внешними электродами; - скорость рассеивания носителей, определяемая процессами дрейфа носителей через переход и из рекомбинацией