Лк8 (Лекции в ворде)
Описание файла
Файл "Лк8" внутри архива находится в следующих папках: Лекции в ворде, lekcii. Документ из архива "Лекции в ворде", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "микроэлектроника" из 4 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "микроэлектроника" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Лк8"
Текст из документа "Лк8"
8 Влияние различных факторов на ВАХ pn-перехода
8.1 Температурные зависимости
Повышение температуры согласно (4.3) приводит к росту собственной концентрации:
| | (8.1) |
а следовательно, и к росту тока насыщения (рис. 5.8),
| | (8.2) |
Контактная разность потенциалов согласно (7.11)
| | (8.3) |
с ростом температуры уменьшается, т.к. при высоких температурах уровень Ферми стремится к середине запрещенной зоны и 
стремится к нулю. Для уменьшения влияния температуры на ВАХ стремятся использовать полупроводниковые материалы с большей запрещенной зоной (Si, GaAs, SiC), так как собственная концентрация при тех же температурах у этих материалов меньше, чем у узкозонных полупроводников.
| |
| Рис. 8.1. Изменение ВАХ при повышении температуры |
8.2 Влияние генерационно-рекомбинационных процессов
При вводе ВАХ pn-перехода предполагалось, что генерацией носителей заряда в обедненной области шириной W можно пренебречь. согласно (7.39)
| | (8.4) |
Это условие действительно справедливо для полупроводников, ширина запрещенной зоны которых невелика (например, в Ge). Однако для таких материалов как Si и GaAs генерационно-рекомбинационный ток в ОПЗ может быть сравним с током насыщения диода, создаваемым неосновными носителями, и даже превосходить его.
Наибольшую роль в генерационно-рекомбинационных процессах играют центры захвата (ловушки), энергетические уровни которых расположены вблизи середины запрещенной зоны полупроводника.
При прямом смещении pn-перехода высота потенциального барьера снижается, поток основных носителей из квазинейтральных областей возрастают и внутри ОПЗ процессы рекомбинации преобладают над процессами генерации носителей.
При обратном смещении pn-перехода высота потенциального барьера увеличивается, ОПЗ обеднен основными носителями, процессы генерации преобладают над процессами рекомбинации. В результате тепловой генерации электронно-дырочных пар в ОПЗ образуется ток генерации, который складывается с током насыщения.
Ширина ОПЗ согласно (7.18) зависит от смещения:
| | (8.5) |
Следовательно, весь объем ОПЗ при прямом смещении уменьшается, а при обратном смещении увеличивается. В соответствии с этими изменениями объема изменяется вклад генерационно-рекомбинационных процессов.
Согласно теории генерационно-рекомбинационного тока ВАХ описывают соотношением:
| | (8.6) |
где m
2 – параметр, зависящий, от характера распределения примесей в pn-переходе.
| | (8.7) |
где ni – концентрация собственных носителей заряда в ОПЗ (допускается, что его проводимость близка к собственной), τeff – эффективное время жизни электронно-дырочных пар в ОПЗ, W(Vсм) – ширина ОПЗ.
Для оценки эффективного времени жизни носителей в ОПЗ можно воспользоваться следующей формулой:
|
| (8.8) |
Для многих практических случает можно использовать следующие формулы:
– прямое смещение pn-перехода:
| | (8.9) |
– обратное смещение pn-перехода:
| | (8.10) |
Таким образом, общий ток идеального pn-перехода равен сумме диффузионной (8.4) и генерационно-рекомбинационной компонент и (8.6) (рис. 8.2).
| |
| Рис. 8.2 |
9 Емкостные свойства pn-перехода
9.1 Барьерная емкость pn-перехода
Концентрации свободных носителей в ОПЗ резко падают, сопротивление ОПЗ велико по сравнению с квазинейтральными областями, то есть pn-переход обладает свойствами конденсатора. Барьерная емкость ступенчатого pn-перехода с площадью S может быть определена по формуле:
| | (9.1) |
где ε0 – диэлектрическая постоянная, εs – диэлектрическая проницаемость полупроводника, W – ширина ОПЗ.
Соответствующая зависимость барьерной емкости от напряжения, показана на рис. 9.1.
| |
| Рис. 9.1 |
Емкость pn-перехода может изменяться в значительных пределах, что позволило использовать это свойство в варикапах.
| |
| Рис. 9.2 Обозначение на схемах |
Варикап – нелинейный управляемый конденсатор, емкость которого изменяется в зависимости от обратного напряжения. В варикапах используется барьерная емкость, не зависящая от частоты вплоть до миллиметрового диапазона, имеющая малый температурный коэффициент емкости. Варикап обладает высокой стабильностью параметров во времени. Варикапы изготавливают на базе кремния, германия, арсенида галлия. В радиоэлектронных устройствах варикапы применяют в усилителях, умножителях частоты, смесителях, детекторах и в схемах с электронной настройкой.
9.2 Диффузионная емкость pn-перехода
При прямом включении pn-перехода носители диффундируют через барьер и накапливаются в соседней области. Количество инжектированного в соседнюю область заряда зависит от величины приложенного к pn-переходу напряжения. Изменение инжектированного заряда при изменении приложенного напряжения может характеризоваться емкостью, которую принято называть диффузионной.
| | (9.2) |
где Q – инжектированный заряд.
| | (9.3) |
Диффузионная емкость pn-перехода тем больше, чем больше прямой ток и время жизни неосновных носителей заряда, т.е. от глубины проникновения носителей заряда в соседнюю область.
Полная емкость pn-перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостей. При прямых напряжениях барьерная емкость много меньше диффузионной, а при обратных напряжениях она значительно превышает ее. Соотношения между барьерной и диффузионной емкостью определяют частотные зависимости pn-перехода.
Диффузионная емкость имеет сильную зависимость от напряжения, но по остальным параметрам уступает барьерной емкости, поэтому ее, как правило, не используют в качестве управляемой.
10 Пробой pn-перехода
При увеличении обратного напряжения на pn-переходе при достижении некоторого напряжения пробоя Vпроб начинается резкое возрастание тока, которое может привести к физическим изменениям структур и выходу pn-перехода из строя. Существует три основных механизма пробоя: лавинный, туннельный и тепловой (рис. 10.1).
| |
| Рис. 10.1. ВАХ обратной ветви pn-перехода в случае лавинного, туннельного и теплового пробоя |
10.1 Лавинный пробой pn-перехода
Рассмотрим случай однородного электрического поля в полупроводнике. Если двигаясь вдоль силовых линий электрического поля электрон на расстоянии, равном длине свободного пробега lсв, наберет энергию, равную либо большую, чем 
, то этот электрон может вызвать генерацию еще одной электронно-дырочной пары. Вновь образованные носители, разгоняясь в электрическом поле, принимают участке в дальнейшем образовании электронно-дырочных пар. Процесс нарастания числа носителей со временем носит лавинный характер, поэтому этот тип пробоя и называют лавинным. На рис. 10. 2 показана схема, иллюстрирующая лавинный пробой.
| |
| Рис. 10. 2. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в однородном полупроводнике: а) распределение электрического поля, доноров и акцепторов и свободных носителей; б) распределение токов; в) зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение в ОПЗ |
Размеры геометрической области полупроводника W, в которой происходит лавинное умножение, должны быть существенно больше длины свободного пробега электрона lсв. Соотношения, определяющие условие лавинного пробоя, будут следующие:
| | (10.1) |
Одним из параметров лавинного пробоя является коэффициент лавинного умножения M, определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля, для которого справедливо следующее эмпирическое соотношение Миллера:
| | (10.2) |
где J0 – ток до умножения (равный сумме тока насыщения и генерационного), n – коэффициент, который зависит от материала и профиля легирования pn-перехода, этот коэффициент может иметь значения от 1 до 6.
