Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Если оба тока сравнимы, то 1 <а< 2.Влияние сопротивлениясопротивление базыбазы.В реальных р-п-переходахсоставляет значения от единиц до соr6тен Ом. Наличие сопротивление базы приводит к тому, чтовнешнеенапряжениеотисточникапитанияраспределяетсямежду р-п-переходом и базовой областью. Поскольку в формуле Шокли(2.20)в показателе экспоненты стоит напряжение напереходе, то при наличии сопротивленияставить в показатель величину Иr6вместо И надо поди тогда формула Шокли- Ir6 ,примет следующий вид:I =Io(e(U -Irб)Nт-1).(2.25)Из последней формулы видно, что при малых прямых токахпадение напряжения на базеIr6можно не учитывать.
При увеличении тока падение напряжения на базе может превысить напряжение на переходе и на ВАХ появляется участок, близкий клинейному, крутизна ВАХ будет меньше и прямое напряжениедля данного тока заметно больше (рис.2.5, а, кривая 2), чем для2.5, а, кривая 1). (Криидеализированного перехода (см. рис.вая3на рис.2.5противлениюсоответствует некоторому промежуточному соr 6 .)Для кремниевых переходов при И<0,5 Вток очень мал и влинейном масштабе на ВАХ практически равен нулю.
Если И>> 0,5 В,ток на ВАХ идеализированного перехода изменитсяГлава2.Контактные явления в полупроводниках/,мА47/,мА1010125125°С53о105-60°Си, воа)105и,вб)Рис.2.5очень резко при малом изменении напряжения (см. рис.2.5,Например, при повышении напряжения отВ (длякривой0,51на0,1а).1) ток увеличивается в 50 раз.При увеличении температуры подвижность свободных носителей в реальных условиях эксплуатации диодов увеличивается, исопротивление базы заметно :13озрастает. На рис.2.5,б показаныБАХ кремниевого перехода для разных температур.
При повышении температуры ВАХ смещается влево, а ее крутизна уменьшается, так как дифференциальное сопротивление растет.При высоких уровнях инжекции наблюдается эффекr модуляции сопротивления базы, который заключается в уменьшенииr6сростом тока из-за увеличения концентрации носителей в базе.Особенно сильно этот эффект сказывается при малой толщинебазы, когда она меньше диффузионной длины.
В этом случаепри увеличении тока· r 6 стремится к нулю.На поверхностир-п-перехода (полупроводника) из-за наличия загрязнений и влияния поверхностного заряда могут образовываться проводящие пленки и каналы, которые обусловливают появление тока утечки. Ток утечки возрастает при увеличении напряжения и при больщих обратных напряжениях можетпревысить тепловой ток и ток генерации.Пробой перехода. Пробоем р-п-перехода называют резкое увеличение тока через переход при большом обратном напряжении, создающем в переходе большую напряженность электрического поля.
Напряжение, при котором происходит лавинооб-48Раздел1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫЕЛЕЗ;~~11\-r::====:::::::=Еп,ЕФп~d~-ЦЦ~~~~~~7 Е.Рис.х2.6разное нарастание тока, называется напряжением пробоя И проб·Существует три основных механизма пробоя: туннельный, тепловой и лавинное умножение. Первый и третий механизмы обусловлены увеличением напряженности электрического поля в переходе, а второй-увеличением рассеиваемой мощности в переходе и, соответственно, его температуры.В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, связанный с переходом электронов через тонкий потенциальный барьербез изменения энергии (рис.2.6).Толщина барьера при туннельном переходе частиц составляет величину порядка10 нм.Такиебарьеры возможны при контакте между сильнолегированнымиполупроводниками (Nд, Na > 5 • 10 18 см- 3 ).
На энергетической диаграмме перехода при обратном смещении (см. рис.туннельнь~й переход электрона с уровня12.6)показанв валентной зоне р-области на энергетический уровень такой же высоты в зоне проводимости п-области (положение2).Электрон преодолевает энергетический барьер треугольной формы с максимальной высотойЛЕз (точки1, 2, 3).Необходимым условием туннельного перехода электронов является наличие занятых энергетических состояний в валентной зоне р-области и свободных состояний с теми жезначениями энергии в п-области. На рис.2.6 такиесостояния сосредоточены в интервале энергий ЛЕтун·Ширина потенциального барьераного слоя10dменьше толщины обеднени уменьшается при увеличении обратного напряжения.
При повышении температуры вы.сота барьера ЛЕз уменьша-Глава2.Контактные явления в полупроводниках49ется из-за уменьшения ширины запрещенной зоны и напряжениетуннельного пробоя снижается, т. е. температурный коэффицшщтнапряжения туннельного пробоя отрицателен.Лавинное умножение (или ударная ионизация) связано с размножением носителей под действием сильного электрического поля.Носители, перемещающиеся через р-п-переход при подаче большого обратного напряжения, на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар за счет ударной ионизации атомов полупроводника.
Рожденные электронно-дырочные пары, ускоряясь полемперехода, также приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов, в результате появляются все новые электронно-дырочные пары, количество которых лавинообразно нарастает.При большей ширине запрещенной зоны носители должныприобретать большую энергию в электрическом поле для реализации ударной ионизации, таким образом, большим энергиямЛЕ 3 соответствуют и большие значения Ипроб·ПривозрастаниитемпературыИ пробувеличивается из-;)ауменьшения длины свободного пробега носителей, при этомувеличивается и напряженность электрического поля, необходимая для ударной ионизации.
Следовательн·о, температурныйкоэффициент напряжения лавинного пробоя положителен. Таким образом, по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя можно отличить туннельный пробой от пробоя ударной ионизации.Тепловой пробой происходит в результате разогревар-п-перехода под действием обр~тного токаJ 06P.Увеличение обратногонапряжения вызывает повышение температуры перехода, что,в свою очередь, приводит к возрастанию токавыделенногопереходомтепла,J 06P.определяющегоКоличествоего температуру, пропорционально произведению J06 РИ06 Р. Если количествотеплоты, выделенной в переходе, превышает количество отводимой от перехода теплоты, то при достаточном напряженииразвивается процесс непрерывного нарастания температуры,аследовательно, и тока, т.
е. происходит тепловой пробой.Напряжение теплового пробоя тем ниже, чем больше тепловой обратный ток. Вследствие этого на характеристике возникаетучасток с отрицательным дифференциальным сопротивлением.В р-п-переходах на основеSiиGaAsобратные токи весьма малы, и напряжение теплового пробоя в таких переходах больше50РазделПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ:: ПРИБОРЫ1.напряжения лавинного пробоя. При высоких температурах окружающей среды возможен пробой, сочетающий оба механизма.В заключение подытожим основные причины, приводящие кразличию идеализированных и реальных ВАХр-п-перехода. Приобратном смещении основными физическими процессами, обусловливающими указанные различия, являются: ток термогенерации в обедненном слое, ток утечки и пробой перехода.
При Прямомнапряжении в начальной части характеристики это ток рекомбинации-генерации, а при больших напряжениях-налич~е сопротивления базы. Для ил.irюс'l'рации влияния указанных причин нарис.приведены реальные и идеализированные БАХ крем2. 7ниевого перехода, где по оси абсцисс отложено напряжение,нормированное на тепловой потенциал, а по оси ординатносительная плотность тока(! 0-от~ тепловой ток, соответствую-щий идеализированному р-п-переходу). На рис.2. 7участок «а»соответствует преобладанию генерационно-рекомбинационного тока, «б»преобладанию диффузионного (инжекционного) тока,-участок «В» характеризуется высоким уровнем инжекции,«Z» -влиянием последовательного сопротивления базы, участок «д»объясняется наличием тока термогенерации в обедненной областии обратного тока утечки, участок «е»"108,,,..
.../10 71~ "'1)е61104103il~" fа~102-v/'-"--/)д/510прямаяхарактеристикаРеальная обратнаяпрямая х арактеристика/оРеальнаяИдеализ ированнаяv10-1переходахарактеристика~·) /"10 1Пробой1//f\105пробойр-п-перехода.г//вJ106--15202530Рис.\\2.7/~~:~~~-ированнаяя характеристикаГлава2.51Контактные явления в полупроводниках2.4. Электрическаямодель р-n-переходаБарьерная емкость. Как показано при рассмотрении физических процессов в р-п-переходе (см.
п.2.1),по обе стороны отметаллургической границы возникают объемные заряды ионовдоноров (:концентрация Nд) и акцепторов (:концентрацияNa).Величины этих зарядов зависят от формы перехода, температуры и ряда других факторов, приводящих к изменению толщины обедненного слоя, в частности, от приложенного напряжения. Наличие зарядов противоположного знака в этой областиприводит к появлению емкости, которая называется барьерной.Эта емкость оказывает влияние на работу р- п-перехода при обратных напряжениях. Барьерная емкость р-п-перехода определяется выражением С 6 ар= dQ 06 /dU,гдедифференциdQ 06 -альное приращение объемного заряда, вызванное достаточномалым изменением приложенного напряжения.(Q 06объем-ный заряд, сосредоточенный внутри р-п-перехода.) Таким образом, влияние С 6ар в электрических схемах проявляе~ся приизменении во времени напряжения на переходе.
В этом случае,помимо тока, определяющего ВАХ, в р-п-переходе протекаетемкостный токI(t)~dQ06 /dt = (dQ06 /dU)(dU /dt).В несиммет-ричном р+ -п-переходе со ступенчатым распределением примеси объемный зарядQ 06= qSNдl 0 (U) определяется шириной обедненного слоя l 0 , которая зависит от приложенного напряжениясмещенияr;.Учитывая, что согласно (2.12) l 0(U) = J2ee 0 (<p 0-U)/(qN д),получаем для барьерной емкости С 6 ар формулу- lddUQ1С=бароб=S0qNE 0 E2(<t>o -И)=SE- -Elo(2.26)•Поскольку с ростом модуля \И\при обратном включении толщина обедненного слоя l 0 возрастает,емкость сбар уменьшается с увеличением обратного напряжения.Зависимостьженногоемкости отнапряженияприлоназывается вольт-фарадной харакrернстикой(ВФХ). На рис.2.8приведены ВФХдля р+-п-перехода со ступенча--10 -8 -6 -4 -2Рис.2.8О2И/ч>тРаздел52тым (кривая1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ1) и линейным(кривая2) распределениямипримесей, построенные в относительных (безразмерных) координатах.
Штриховая кривая соответствует некоторому другому возможному распределению примесей в переходе.Диффузионная емкость. При подаче прямого напряжения существуют две причины, обусловливающие емкость р-п-перехода: изменение зарядов в обедненном слое и изменение концентрации инжектированных носителей в нейтральных облас-, тяхвблизи границы перехода в зависимости от приложенногопрямого напряжения.В результате при подаче прямого напряжения полная емкость равна.с= сбар+ сди~'где сдиф -диффузионная емкость.Емкость СдиФ связана с диффузией неосновных носителей, инжектированных через переход при прямом смещении, и определяете.я зарядом этих носителей, накопленных за пределами области перехода.В слуЧае несимметричного р+ -п-перехода Сдиф определяетсязарядом дырокраспределение(LP -QP (QP(2.17)»Qn), накопленным в базе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
