Краткие лекции по ЭиМ (Методичка по темам из ЭиМ), страница 6

Движение неосновных носителей через p-nпереходподдействиемэлектрическогополяпотенциальногобарьераобусловливает составляющую дрейфового тока.Приотсутствиивнешнегоэлектрическогополяустанавливаетсядинамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителейэлектрическихзарядов,тоестьмеждудиффузионнойидрейфовойсоставляющими тока p-n-перехода, поскольку эти составляющие направленынавстречу друг другу.Потенциальная диаграмма p-n-перехода изображена на рис.

1.13, причем занулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Контактнаяразность потенциалов образует на границе раздела потенциальный барьер сОглавлениевысотой ∆φк. На диаграмме изображен потенциальный барьер для электронов,стремящихся за счет диффузии перемещаться справа налево (из области n вобласть p ). Если отложить вверх положительный потенциал, то можно получитьизображение потенциального барьера для дырок, диффундирующих слеванаправо (из области p в область n ).Приотсутствиивнешнегоэлектрическогополяиприусловиидинамического равновесия в кристалле полупроводника устанавливается единыйуровень Ферми для обеих областей проводимости.Однако, поскольку вполупроводникахp-типауровень Ферми смещается кпотолку валентной зоны Wвр, а в полупроводниках nтипакоднузоныпроводимости Wпn, то наширине p-n-перехода 5 диаграмма энергетических зон (рис.

1.14) искривляется иобразуется потенциальный барьер: k Wq (1.13)где ∆W - энергетический барьер, который необходимо преодолетьэлектрону в области n , чтобы онмог перейти в область p , илианалогично для дырки в области p ,чтобы она могла перейти в областьn.Высотапотенциальногобарьера зависит от концентрациипримесей, так как при ее измененииизменяетсяуровеньФерми,смещаясь от середины запрещеннойзоны к верхней или нижней ее границе.Вентильное свойство р-n-переходаP-n-переход,обладаетсвойствомизменятьсвоеэлектрическоесопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Этосвойство называется вентилъным, а прибор, обладающий таким свойством,называется электрическим вентилем.Рассмотрим p-n-переход, к которому подключен внешний источникнапряжения Uвн с полярностью, указанной на рис.

1.15,« + » к области p-типа, «-» к области п-типа.Такое подключение называют прямым включением p-n-перехода (илипрямым смещением p-п-перехода). Тогда напряженность электрического полявнешнего источника Eвн будет направлена навстречу напряженности поляпотенциальногобарьераEи,следовательно,приведеткснижениюрезультирующей напряженности Eрез :E рез  E  Eвн(1.14)Это приведет, в свою очередь, к снижению высоты потенциального барьераи увеличению количества основных носителей, диффундирующих через границуОглавлениераздела в соседнюю область, которые образуют так называемый прямой ток р-пперехода.

При этом вследствие уменьшения тормозящего, отталкивающегодействия поля потенциального барьера на основные носители, шириназапирающего слоя δ уменьшается (δ' < δ) и, соответственно, уменьшается егосопротивление.По мере увеличения внешнего напряжения прямой ток р-п-переходавозрастает. Основные носители после перехода границы раздела становятсянеосновными в противоположной области полупроводника и, углубившись в нее,рекомбинируют с основными носителями этой области, но, пока подключенвнешнийисточник,токчерезпереходподдерживаетсянепрерывнымпоступлением электронов из внешней цепи в n-область и уходом их из p-областиво внешнюю цепь, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в робласти.Введение носителей зарядачерез р-п-переход при понижениивысоты потенциального барьера вобласть полупроводника, где этиносители являются неосновными,называют инжекцией носителейзаряда.При протекании прямого тока из дырочной области р в электроннуюобласть n инжектируются дырки, а из электронной области в дырочную электроны.Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлениемназывают эмиттером; слой, в который происходит инжекция неосновных длянего носителей заряда, - базой.Нарис.1.16изображеназоннаяэнергетическаясоответствующая прямому смещению р-п-перехода.диаграмма,Есликр-п-переходуподключить внешний источник спротивоположной полярностью «-» кобласти р-типа, «+» к области п-типа(рис.

1.17), то такое подключениеназывают обратным включением р-пперехода (или обратным смещениемр-п- перехода).В данном случае напряженностьэлектрического поля этого источникаЕвн будет направлена в ту же сторону, что и напряженность электрического поляЕ потенциального барьера; высота потенциального барьера возрастает, а токдиффузии основных носителей практически становится равным нулю. Из-заусиления тормозящего, отталкивающего действия суммарного электрическогополя на основные носители заряда ширина запирающего слоя δ увеличивается (δ"> δ), а его сопротивление резко возрастает.Теперь через р-п-переход будет протекать очень маленький ток,обусловленный перебросом суммарным электрическим полем на границераздела, неосновных носителей, возникающих под действием различныхионизирующих факторов, в основном теплового характера.

Процесс перебросанеосновных носителей заряда называется экстракцией. Этот ток имеетдрейфовую природу и называется обратным током р-п-перехода.ОглавлениеНа рис. 1.18 изображеназоннаяэнергетическаядиаграмма, соответствующаяобратномусмещениюp-n-перехода.Выводы:p-n-переход образуетсяна границе p- и n-областей,созданных в монокристаллеполупроводника.В результате диффузии в p-n-переходе возникает электрическое поле потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций основныхносителей заряда в соседних областях.При отсутствии внешнего напряжения Uвн в p-n-переходе устанавливаетсядинамическое равновесие: диффузионный ток становится равным по величинедрейфовому току, образованному неосновными носителями заряда, в результатечего ток через p-n-переход становится равным нулю.При прямом смещении p-n-перехода потенциальный барьер понижается ичерез переход протекает относительно большой диффузионный ток.При обратном смещении p-n-перехода потенциальный барьер повышается,диффузионный ток уменьшается до нуля и через переход протекает малый повеличине дрейфовый ток.Этоговоритотом,чтоp-n-переходобладаетодностороннейпроводимостью.

Данное свойство широко используется для выпрямленияпеременных токов.Ширина p-n-перехода зависит: от концентраций примеси в p- и n-областях,от знака и величины приложенного внешнего напряжения Uвн . При увеличенииконцентрации примесей ширина p-n- перехода уменьшается и наоборот.

Сувеличением прямого напряжения ширина p-n-перехода уменьшается. Приувеличении обратного напряжения ширина p-n-перехода увеличивается.Вольт-амперная характеристика p-n-переходаВольт-амперная характеристика р-п-перехода - это зависимость тока черезр-n-переход от величины приложенного к нему напряжения. Ее рассчитываютисходя из предположения, что электрическое поле вне обедненного слояотсутствует, т.е. все напряжение приложено к р-п-переходу. Общий ток через рn-переход определяется суммой четырех слагаемых:I pn  I n диф  I p диф  I n др  I p дргдедрейфа;I n др  qn p0 v n др,(1.15)- электронный ток дрейфа; I p др  qpn v p др - дырочный ток0I n диф  qn p vn диф  qvn диф n p0 eI p диф  qpn v p диф  qv p диф p n0 eqU внkTqU внkT-электронный- дырочный ток диффузии;электронов, инжектированных в р-область;p n  p n0 eтокn p  n p0 eqU внkTqU внkTдиффузии;- концентрация- концентрация дырок,инжектированных в п-область.При этом концентрации неосновных носителей n p0и pn зависят от0концентрации примесей Nакц и Nдон следующим образом:n p0 ni2p2p n0  iN акцN дон,где ni , pi - собственные концентрации носителей зарядов (без примеси)электронов и дырок соответственно.Скорость диффузии носителей заряда Vn,p диф можно допустить близкой ких скорости дрейфаVn,p др в слабом электрическом поле при небольших отклонениях отусловий равновесия.

В этомслучае для условий равновесия выполняются следующие равенства:ОглавлениеVn,p диф = Vn,p др = Vp, Vn диф = Vn др = Vn.Тогда выражение (1.15) можно записать в виде:qU вн qU вн qU вн  qU вн I p n  qv p  p n0 e kT  p n0   qvn  n p0 e kT  n p0   qv p p n0  e kT  1  qvn n p0  e kT  1 (1.16) qU вн qU вн q v p pn0  vn n p0  e kT  1  I 0  e kT  1Обратный ток Io можно выразить следующим образом:I 0  q(v p pn0  vn n p0 ) qDp pn0LpqDn n p0Lnгде Dn p - коэффициент диффузии дырок или электронов; Ln p диффузионная длина дырок или электронов.Так как параметрыDn, p , n p0 , pn0 , Ln, p  Dn.

p n, pочень сильно зависят оттемпературы, обратный ток I0 иначе называют тепловым током.При прямом напряжении внешнего источника (Uвн > 0) экспоненциальныйчлен в выражении (1.16) быстро возрастает, что приводит к быстрому роступрямого тока, который, как уже было отмечено, в основном определяетсядиффузионной составляющей.Приобратномнапряжениивнешнегоисточника(Uвн<0)экспоненциальный член много меньше единицы и ток р-п-перехода практическиравен обратному току Io , определяемому, в основном, дрейфовой составляющей.Вид этой зависимости представлен на рис. 1.19. Первый квадрант соответствуетучастку прямой ветви вольт-амперной характеристики, а третий квадрант обратной ветви.При увеличении прямого напряжения ток р-п-переходавпрямомнаправлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинаетсяучасток быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительномунагреванию полупроводниковой структуры.

Если количество выделяемого приэтомтеплабудетпревышатьколичествотепла,отводимогоотполупроводникового кристалла либо естественным путем, либо с помощьюспециальных устройств охлаждения, то могут произойти в полупроводниковойструктуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллическойрешетки. Поэтому прямой ток р-п-перехода необходимо ограничивать набезопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Дляэтогонеобходимоиспользоватьограничительноесопротивлениепоследовательно подключенное с р-п-переходом.При увеличении обратного напряжения, приложенного к р-п-переходу,обратный ток изменяется незначительно, так как дрейфовая составляющая тока,являющаяся превалирующей при обратном включении, зависит в основном оттемпературы кристалла, а увеличение обратного напряжения приводит лишь кувеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения ихОглавлениеколичества.

Такое положение будет сохраняться до величины обратногонапряжения, при котором начинается интенсивный рост обратного тока - такназываемый пробой р-п-перехода.Виды пробоев р-n-переходаВозможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой - этопробой, после которого p-n-переход сохраняет работоспособность. Необратимыйпробой ведет к разрушению структуры полупроводника.Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой иповерхностный.