Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 25
Текст из файла (страница 25)
е. ЛР Ри нчо. Высоким уровнем инжвкции будем считать такой, при котором оР Р »нчо. Прохождение через полупроводниковый диод больших токов, как правило, сопровождается повышением уровня инжекции, на крайней мере в некоторых частях базы диода. При больших прямых токах в базе полупроводникового диода изменяется концентрация как неосновиых, так и основных носителей заряда, появляется электрическое поле, изменяются электрофизические параметры материала базы (время жизни, подвижность или коэффициент диффузии, удельное сопротивле- ние), изменяются условия как на выпрямляющем, так и на оми- ческом переходе. При больших токах необходимо также учиты- вать сопротивление базы диода.
При нижекции иеосиовиых носителей заряда в базе диода возникает избыточная концентрация этих носителей и нарушается электрическая нейтральность базы. Из-за диффузии в базе и рекомбинации получается неравномерное распределение иеосновиых носителей в базе (рис. 3.29). Для компенсации иижектированных не- "и "л основных носителей заряда через Е омический переход в базу входят основные носители н также распре- л деляются в базе неравномерно. С достаточной для практических расчетов точностью можно считать, Рл что при этом восстанавливается Рлв электрическая нейтральность базы, т.
е. избыточная концентрация основных носителей в базе диода рав- рис. з.зэ, Распределение кониа избыточной концентрации неос- цеитрацин неосновнмх и осиовновиых носителей; них носителей заряда в базе днола при включения его в ара- мом наиравленни Равенство (3.89) является приблизительным, так как для поддержания неравномерного распределения основных носителей в базе необходимо электрическое пале, которое и возникает из-за неполной компенсации заряда иеосновных носителей вблизи р-л-перехода. В принципе нейтрализация заряда инжектироваиных носителей не может быть абсолютно полной.
Действительно, если предположить полную нейтрализацию, то, во.первых, ие будет причины, вызывающей неравномерное распределение осиовнык носителей. Во-вторых, неравномерное распределение основных носителей без электрического поля приведет к возникновению диффузионного тока электронов в направлении, противоположном истинному направлению движения электронов в базе диода при его прямом включении. Таким образом, предположение об абсолютной нейтрализации заряда инжектнроваиных носителей ведет к противоречиям. Остается принять, что нейтрализация заряда оказывается неполной — избыточная концентрация основных носителей около р-и-перехода остается несколько меньшей избыточной концентрацин неосновных носителей.
Возникающая нз-за нескомпеисированного заряда напряженность электрического поля поддерживает неравномерное распределение основных носителей заряда в базе. Другая составляющая электрического поля в базе диода является следствием прохождения тока через объемное сопротивление базы. Чтобы определить суммарное значение электрического поля в базе, воспользуемся выражениями для плотности электронного (1.30) и дырочного (!.3!) токов, а также выражением для полной плотности тока (1.32) с учетом того, что в установившемся состоянии =О. д(4ыЕ) д! Из условия электрической нейтральности (3.89) для диода с равномерно легированной базой, т.
е. при !У,(х)=сонэ!, следует, что цгай п = огай р. Тогда Л = д(р)4„+ п)4,) Е+ ц(Є— Рр) цга (! р Э Е=- 4(рр + аш) рр, + лр„ (3.90) 124 Полученный результат показывает, что напряженность электрического поля действительно состоит из двух составляющих. Первая нз ннх равна отношению плотности полного тока к удельной проводимости базы, т. е. представляет собой в соответствии с законом Ома в дифференциальной форме напряженность электрического поля, возникающую из-за прохождения тока через материал базы с конечной проводимостью. Следует отметить, что удельная проводнмость в данном случае не является постоянной, она зависит от концентрации носителей заряда и, значит, от плотности тока через диод. Вторая составляющая напряженности электрического поля определяется градиентом концентрации носителей заряда.
Эта составляющая и есть напряженность электрического поля, которое поддерживает неравномерное распределение концентрации основных носителей для обеспечения почти полной электрической нейтральности базы. Если проинтегрировать (3.90) по координатам, то получим разность потенциалов, которая тоже будет иметь две составляющие. Первая из них — это падение напряжения на объемном сопротивлении базы. Вторая составляющая представляет собой так называемую ЭДС Дембера, которая была рассмотрена в $1.12. Эта ЭДС может возникнуть в полупроводнике прн неравномерном распределении носителей даже прн отсутствии тока через полупроводник, как видно из соотношения (3.90). Так, при освещении полупроводника между освещенными и неосвещенными его частями возникает разность потенцналов.
Аналогичную прнроду имеет посленижекцнониая ЭДС (см. $3.18). Таким образом, при больших токах в базе диода помимо диффузии носителей заряда необходимо учитывать нх дрейф. Кроме того, нз-за наличия в базе прн больших токах через диод электрического поля напряжение на р-и-переходе отличается от напряжения, приложенного к выводам диода. Измененне электрвфнэнческнх параметров Время жнзнн иоснтелей заряда. При высоком уровне иижекции изменяется ход процесса рекомбинации. Это справедливо для любой модели процесса рекомбинации.
Так, при увеличении концентрации неосиовных и основных носителей заряда изменяются положения демаркационных уровней и рекомбинация может происходить через такие ловушки, через которые она не происходила прн низком уровне инжекции. Вообще зависимость времени жизни от уровня нижекцни определяется миогимн факторами: типом н расположением энергетических уровней ловушек в запрещенной зоне полупроводника, температурой н т. д.
С увелнченнем уровня ннжекции время жизни может уменьшаться, увелнчнваться, может наблюдаться н немонотонная зависимость. Подвижность (коэффнцнент днффузнн). При высоком уровне нижекцни может проявляться еще один механизм рассеяния носителей заряда — рассеянне носителей на носителях, что приводит к уменьшению подвижности и коэффициента диффузии носителей заряда.
Однако это явление часто можно не принимать во внимание, так как оно начинает сказываться при сравнительно больших концентрациях инжектнрованиых носителей. Иэменеине условнй на выпрямляющем и пмнческом переходах. Граничная концентрация иеосновных носителей заряда около р-п-перехода прн больших прямых напряжениях перестает экспонеицнально зависеть от напряжения на переходе (см. $2.3). Можно считать, что прн очень больших прямых напряжениях р-п-переход полупроводникового диода как бы исчезает и диод становится похожим иа резистор с переменным сопротивлением. В то же время прн больших токах нарушается равновесие у омического перехода.
Здесь из-за ограниченной скорости движения начинает расти концентрация иеосиовных носителей заряда, соответственно растет и концентрация основных носнтелей !25 (см. $2.12). Ваза диода при этом заполняется дополнительным количеством электронов и дырок, что приводит к уменьшению ее сопротивления, т.
е. к модуляции сопротивления базы диода. 1 злб. Расчет вольт-дмпериоя характеристики й(иодд при еольших прямых токах Выбор модели диода Большое количество факторов, которые следует принимать во внимание при расчете ВАХ диода при больших прямых токах, приводит к тому, что в общем виде решить эту задачу не удается. В связи с этим для выполнения аналитического расчета целесообразно выбрать такую структуру модели полупроводникового диода, которая позволила бы выполнить расчет и в то же время по возможности больше соответствовала бы реальной структуре диода. Одной из таких структур является полупроводниковый диод с несимметричным электронно-дырочным р+-п-переходом, с тонкой базой и с идеальным иевыпрямляющим контактом к базе.
В базе такого диода можно выделить слои с высоким уровнем иижекцин (у элект- .7 раино-дырочиого перехода), средним (там, где концентрация неос!! ионных носителей сравнима с кони !! центрацией основных носителей в и равновесном состоянии) и с низким лр уровнем инжекции (вблизи омиче- 22 ского перехода) (рис. 3.30). Очевидно, что с увеличением ток/з ка через диод будет увеличиваться та часть базы, где существует высокий уровень инжекции. При достаточно больших токах почти во всей базе будет высокий уровень иижекции. Поэтому весь расчет можно выполнять только для высокого уровня иижекции. Это первое преимущество выбранной модели для расчета.
Второе преимущество диода с тонкой базой как модели для расчета состоит в том, что ток одного вида носителей (иеосиовиых) во всей базе такого диода остается постоянным. Это следует из того, что во всей тонкой базе практически отсутствует рекомбииация носителей. Оиа происходит только иа омическом переходе. Третье преимущество рассматриваемой модели следует из иесимметрии ее перехода.
Если концентрация инжектироваииых Рис, З.ЗО. Распределение коинеитранин неоеновиык носителей зарида в базе диода с тонкой базой: У вЂ” елоа с высоким уровнем инжеиини; 2 — елоа ео средним уроанеи инжекинн; 3 — елоа с низким уровнем иижекнин !26 Расчет вольт-амперной характеристики диода с тонкой базой прн больших прямых токах Исходя из перечисленных допущений можно считать, что в базе рассматриваемого диода электронный ток равен нулю. Тогда напряженность электрического поля в базе диода может быть найдена из уравнения для плотности электронного тока [см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
