Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Так, увеличение наРпоТ =11отпряжения И на 3<рт (на1проконцентрацииносителей300 К)78 мВприповышает концентрациюнеосновных носителей (например,11О'----~1~...._~~~-'--дырок в п-области) больше чем нахпорядок. На рис.2.2, апоказано изменение концентрации инжектироjванных носителей в областях, примыкающихкр-п-переходу,припрямом смещении.Для несимметричного переходаприNa»Nд концентрация дырок,инжектированньrхрованнойизобласти рсильнолеги(эмиттера)вслаболегированную область п (бахзу),намногобольшеконцентрации электронов, инжектированныхРис.2.2впротивоположномт. е. Лрп>>направлении,ЛпР, и, следовательно,для таких переходов можно считать, что характерна односторонняя инжекция.
Изменение градиентов концентраций носителейвызывает соответствующие изменения электронной и дырочнойсоставляющих плотностей полных токовкоторых приведены на рис.2.2,jnиjP,распределенияб. Отношение плотностей токаинжектированных в базу носителей и полного токаjопределяеткоэффициент инжекции у. Так, для рассматриваемого несимметричного переходагдеj = jP + jn; jP, jn -плотности токов инжекции соответственнодырок и электронов.
ПриNa»Nд коэффициент инжекции устремится к единице.Отношение концентрации инжектированных в базу неосновных носителей к равновесной концентрации основных носителей в ней называется уровнем инжекции О:Главапричем о«12.41Контактные явления в полупроводникахсоответствует низкому уровню инжекции, а о:;;;.1-высокому.При обратном напряжении величина потенциального барьера в областипереходаувеличивается,ширина (толщина) перехода возрастает.Неосновные носители (дырки р по вп-области и электроны про в р-области) при своем тепловом движениипопадают в область перехода, где великанапряженностьускоряющегоих электрического поля.
Под действием этого поля неосновные носители дрейфуют в область, где становятсяосновныминосителями,6)т. е.дырки из п-области дрейфуют в р-область, а электроны-Рис.2.3из р-области вп-область. Если при инжекции (прямом смещении) происходитдиффузия носителей через переход, то при обратном-дрейф носителей. В результате описанных процессов концентрация неосновных носителей у границ перехода уменьшается (рис.явление называют экстра1щией неосновных носителей.2.3, а), этоИзменениеконцентрации неосновных носителей у Границ перехода под действием обратного напряжения (Илам(2.14) и (2.15), т.
е.<О) можно вычислить по фqрмуэти формулы справедливы как при инжекции, так и при экстракции носителей. Распределение возникающих токов при обратном напряжении приведено на рис..2.З.2.3.1.2.3, б .Вольт-амперная характеристика р-п-переходаВольт-амперная характеристика идеализированного рn-перехода.Выражения(2.14) и (2.15) являются основными граничнымиусловиями при вычислении идеализированной вольт-ампернойхарактеристики (ВАХ).БАХ идеализированного р-п-перехода может быть вычислена на основе решения уравнений(1.25)и(1.26).Идеализированный р-п-переход является упрощенной моделью реальногоперехода.
При получении БАХ идеализированного р-п-перехода принимаются следующие основные допущения:-внутрир-п-перехода отсутствуют генерация, рекомбинация и рассеяние носителей;Раздел42-1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫносители преодолевают переход мгновенно,тываетсявремяихперемещения черезпереход,т. е.вне учирезультатетоки носителей одного знака одинаковы на обеих границахперехода;-электрическое поле существует только внутри перехода,т.
е. считается, что все напряжение источника приложено к переходу, сопротивление которого много больше сопротивленияприлегающих к нему областей;-границы р-п-перехода являются безграничными плоскостями, и краевые эффекты не учитываются;-предполагается, что изменение концентрации неосновныхносителей в областях за границами перехода при небольшихпрямых напряжениях (малый уровень инжекции) не приводитк нарушению электрической нейтральности в этих областях;-·размеры нейтральных областей много больше диффузионной длины неосновных носителей в этих областях.При сделанных допущениях в нейтральной области, где отсутствует электрическое поле, для вычисления параметров не·равновесных носителей можно воспользоваться уравнением диффузии в форме(1.26),для дырок, заменив взаписанным для электронов, а также и(1.26)соответствующим образом обозначения сп нар.Решение уравнения диффузии для дырок с граничными условиями(2.15) и с учетом того,Лрп=Рпо(еU/tn.,,т_l)е-(хчто при х____,.оо Рп = Рпо• имеет вид- l )/LпР,(2.17)где LP = jDP 'tp.В результате при хмаго формулой(1.20), равнаJ.
---qD -dpnlРРdx= ln плотность дырочного тока, определяе-ln( с учетом того, чтоqDpPno-- - ( е ИNт -LP1).d(Лрп)dpn )dX = dx(2.18)Рассматривая р-область, аналогично можно получить плотность электронного тока при х= -lP:(2.19)Глава2.РаспределенияКонтактные явления в полупроводникахконцентрацииизбыточныхносителей и токов, приведенные на рис.ния и на рис.ности токаной суммеj43неравновесных2.2 для прямого смещедля обратного, соответствуют общей плот2.3 -через переход, постоянной во всех сечениях и равjn и jP,т. е.j=jn+jP=jo(eИ!ч>т _1 )•(2.20)где(2.21)есть плотность теплового тока, т. е.
тока, обусловленного тепловой генерацией носителей в областях за пределами р-п-перехода."Умножив обе части выраженийреходаS,и(2.20)(2.21)на площадь пеполучим вместо плотности тока значение тока, протекающего через р-п-переход, т. е.уtrетомиI = jS. Выражение (2.20) с(2.21) описывает ВАХ идеализированного диода (рис. 2.4)представляетсобойизвест-ную формулу Шоклн.1/10При подаче прямого смещения при Т= 300 Кдля увеличе-ния тока через переход на порядок требуется изменить напряжение всего лишь на(~ 2,3<рт)·Из рис.2.4,59, 5 мВб видно,-5что при \И\ > 3<рт наклон ха-5 1Иl/q>трактеристики при прямом смеа)щении в полулогарифмическоммасштабе постоянен, а при обратном-ток стремится к насыщению (к току1 0 = j 0 S).Токи при прямом смещении,обычно соответствующие номинальным режимам работы рп-переходоввполупроводниковых приборах, на много порядков превышают обратный ток,который для идеализированного перехода при И>3<рт прак-104При прямом103102100,_____см_ещ_ен_и_и_10- 1 -----~~-~~---о10 /И//<рт5б)Рис.2.444Раздел1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫтически равен тепловому токуI 0•Поэтому часто на графикахпрямые и обратные токи изображают в разных масштабах.На токI0достаточно сильно влияет изменение температурыр-п-перехода.»В случае резкого несимметричного перехода,»когдаNa(2.21)можно пренебречь.
Температурная зависимость теплового тока10Nд и Рпопро• вторым слагаемым в выражениивызвана, главным образом, изменением концентра-ции неосновных носителей (в данном случае Рпо• см. выражение(1.4)),поэтому I 0 -n'f -ной зависимости токаехр (-ЛЕ 3 /kТ). Дл.я иллюстрации сильI0от температуры можно привести следующий пример: Если в кремнии температуру измен.ять отдо65°С, то тепловой ток увеличите.я втех же условиях увеличение составитменении температуры от25° до 30 °С2 16 раз,2 10 раз.-15°в германии приВ кремнии при из(т. е. лишь на ЛТ= 5°), тепловой ток удваиваете.я. В германии, чтобы получить удвоениетока, необходимо увеличить температуру отТепловой токI025°С на ЛТ =8°.уменьшаете.я при увеличении концентрациипримесей из-за снижения концентрации неосновных носителейсогласно выражениюр-п-переходе, когда(1.5).
Поэтому при резко несимметричномNa >> Nд, основной вклад в 10 вносят дырки, генерируемые в слаболегированной базе (п-область).Дл.я описания работы р-п-перехода на малом переменномсигнале используете.я дифференциальное сопротивлениеdUr диФ = dl = I<J'т+I0•Дл.я малого низкочастотного сигналар-п-переход представляет собой линейный резистор, так как в пределах малого при-. ращениянапряженияdU zЛИ можно считать, что ток изменяется линейно. Величина rдиф зависит от режима работы, т. е.от положения рабочей точки.
На практике часто используютвеличину, обратную rдиФ' которая называете.я крутизной БАХр-п-перехода.2.3.2.ВАХ реального р-п-перехода.Идеализированная ВАХ (формула Шокли(2.20))учитываетинжекцию и экстракцию неосновных носителей и их диффузиюв областях, прилежащих кр-п-переходу.ГлаваФормула(2.20)2.45Контактные явления в полупроводникахудовлетворительно описывает БАХ германиевых р-п-переходов при низких плотностях тока.
Для рп-переходов в кремнии и арсениде галлия эта формула даетлишь качественное описание реальных характеристик.Б реальныхр-п-переходах существенную роль могут игратьтакие процессы, как рекомбинация и генерация носителей в области р-п-перехода, сопротивление базы, ток утечки по поверхности, туннелирование носителей между энергетическимисостояниями в запрещенной зоне, высокий уровень инжекции ипробой перехода. Оценим влияние каждого из перечисленныхфакторов на БАХ.Генерационный ток при обратном смещении. Плотность тока,обусловленного термогенерацией носителей в обедненной области (rенерационный тон), может быть оценена следующей формулой.lген =qn;lo(2.22)-'t--'эфгде 10 -ширина перехода, 't 3 Ф -сителей в обедненном слое,жизни электронов('tn) идырокэффективное время жизни нокоторое определяется временем('tp).Если 't 3 Ф мало изменяется с температурой, то генерационныйток будет иметь примерно ту же зависимость, что иni.При фиксированной температуре плотность тока jген пропорциональнавеличине 10 , которая зависит от приложенного обратного напряжения.В общем случае полный обратный ток при Рпо»про и \И\ > <ртможно приближенно представить суммой диффузионного токав нейтральной области и генерационного тока в обедненной области.
_q %:Рnfqn;lo1 N +lобр -рд(2.23)-'t- ·эфВ таких полупроводниках, как германий, у которого шириназапрещенной зоны ЛЕ 3 "'=' О, 7 эВ и концентрация собственныхносителей при комнатной температуре равнаn; "'=' 10 13 см- 3 , будет преобладать диффузионный ток, и обратный ток можетбыть вычислен по формуле Шокли.
Если же величинаniмала---,46Раздел(кремний: n; ~10 10 см- 3 ,1.-----------ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫарсенид галлия: n; ~106 см- 3при комнатной температуре), то генерационный ток jген будет преобладать над диффузионным.Ток рекомбинации при прямом смещении. Рекомбннацнонныйток добавляется к диффузионному инжекционному току и вэтом случае, как и при обратном смещении, рекомбинационныйток пропорционаленni.Экспериментальные исследования показывают, что в общем случае плотность тока при прямом смещении можно описать следующим выражением:·(2.24)где а=если преобладает рекомбинационный ток, а=2,1,еслипi>еобладает ток инжекции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
