Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем (1977) (1086783), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Структура р-и перехода в отсутствие (а) и при нзличии (б и з) поверх- ностного канала. Бззавзя граница переходи показана точками. убывает (рис. 2-25, в). В той точке, где разность потенциалов падает до величины Лгрз, приповерхностный переход находится в квази- равновесном состоянии и обратный ток делается равным нулю. Следовательно, «рабочая» часть канала, обусловливающая увеличение обратного тока, имеет к о н е ч н у ю длину (обычно десятые доли миллиметра), т. е. меньше физической длины канала. С ростом обратного напряжения растет «рабочая» длина канала„ а значит, и обратный ток приповерхностного перехода.
Анализ показывает П5), что функция г' в ((г',зр) логарифмическая, т е. не очень сильная. Однако она приводит к ко н е ч но м у н а к л о н у обратной характеристики независимо от наличия или отсутствия тока термогенерации (т. е. и у кремниевых, и у германиевых диодов). Заметим, что нзднчие поверхностных уровней не всегда сапровождзется обрззовзнием канала. Прв недостаточной плотности этих уровней обрззуется т о л ь к о обедненный слой, что рзвиосильно простому увеличению площади р.л перехода.
Соответственно увеличатся и ток термогеиерзции, и тепловой ток; если последней преввлируст (у гермзниевых диодов), то зависимость обрзтного токи от нзпрвжеиия будет отсутствовать. Наконец, возне>кон случай, когдв плотность поверхностных уровней недостаточна даже для образования обедненного своя (точнее, для обрззовзния области прострзнственного заряда п р и м ее е б).
Тогда вблизи поверхности просто будет повышсчшое удельное сопротивление базы и, значит, в этой облзсти ширина перехода будет больше, чем вдвли от хиже рхности. Ток утечки, Поверхностные утечки представляют собой нередко главный фактор, влияющий на обратную характеристику. Ток утечки не всегда является второстепенным результатом «загрязнения» поверхности. Он обусловлен в первую очередь поверхностными энергетическими уровнями, которые способствуют активной генерации — рекомбинации (см.
с. 46), а также молекулярными или ионными пленками, шунтирующими переход (это могут быть молекулы окислов основного материала, молекулы газов, воды, иовы водорода н т. п.). Прн повышении напряжения ток утечки растет сначала почти линейно, а затем более сильва (рис. 2-26). Почти линейный начальный участок харакдг а теристики 1х (0) можно охарактеризовать эквивалентным сопротивлением утечки Й„. б) Рис. 2-27. Обрвтиви характеристика реаль. ного диоде, ее идевлизвнви (а) н вквиивлентиви схема диоде при обрвпюм включенни (б). Рис. 2-2б.
Обратные хвректеристики диодов — гермвниевого (а) и кремниевого (Ф вЂ” в отсутствие поверхностного канала. Характерная черта тока утечки заключается в его временной нестабильности, которую часто называют «ползучестью». Ползу- честь проявляется в изменении обратного тока в течение некоторого времени после скачкообразного изменения обратного напряжения, в частности после его включения (32). Есть основания считать, чта ползучесть связана главным образом с адсорбнрованной пленкой водяных паров.
Времена релаксации при нарастании или спадании обратного тока оказываются различными н обычно лежат в пределах ат нескольких секунд до нескольких часов. В течение указанного времени обратный так заметно меняется (изменение может выражаться в десятках процентов), причем величина полэучести оказывается индивидуальной у разных диодов одного и того же типа. Ток утечки зависит ат температуры сравнительно слабо. Поэтому по сравнению с токами 1, н 1о ток 1„можно считать постоянным. Если прн комнатная температуре 1 4; 1в+ 1а. то ролыа тока утечки вообще можно пренебречь. дднака чаще, особенно у кремниевых диодов, имеет место сгютношение 1 > 1е + 1о Эквивалентная схема диода при обратном смещении.
Из предыдуших разделав видно, чта полный обратный ток диода представляет собой сложную функцию напряжения н возрастает с его ростом (рнс. 2-27, а). Для расчетов удобно представить полупроводника 1оер+ г и гоар (2-50) где 1оер ток, получаемый путем экстраполяции характеристики до пересечения с осью токов (рис. 2-27, а); г,ер — сопротивление, характеризующее «средннй» наклон кривой. Несмотря на приближенность формулы (2-50), она, как и эквивалентная схема на рис. 2-27, б, позволяет производить полезные количественные оценки в широком диапазоне напряжений.
Параметры эквивалентной схемы определяются по данным справочников или путем измерений. 2-7. «<РОБОЙ БВРКХОДА Под пробоем р-л перехода понимают резкое уменьшение д и фф е р е н ц и а л ь н о г о обратного сопротивления, сопровождающееся резким возрастанием обратного тока при незначительном увеличении напряжения Разуме«тся, понятие «резких» изменений условно; по существу те процессы, которые обусловливают пробой, начинают проявляться в той или иной мере при напряжениях, значительно меньших пробивного. Поэтому, рассматривая причины пробоя„ мы тем самым рассмотрил« дополнительные причины, по которым обратный ток реального диода превышзет тепловой ток 1,. Различают три вида (механнзма) пробоя: льуннельный (зенеровский) т„лавинный н «пепл«вой.
Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля, а третий — с увеличением рассеиваемой мощности и ссютветственно температуры. Туннельный пробой. В основе этого вида пробоя лежит туниельный эффект, т. е. <просачивание» электронов сквозь потенциальный барьер, если толщина последнего достаточно мала. Вероятность туннельного эффекта определяется экспонентой Щ: ехр1 — --, д У2тедФ) = ехр( — !0« с()Г)~Ц, где Ф вЂ” высота барьера, В; с( — его толщина, см. Коэффициент 10» получен для случая ио = «и. При анализе пробоя под высотой барьера следует понимать Ширину запрещенной зоны <р„а под толщиной барьера — расстояние «( между «противостоящими» зонами (рис.
2-20, и). Если 'распре»о,~щ...р,, о )в!»оо„ т Второе иааваиие свиааио с фамилией ученого уепег, впервые описавшего Соответствующее и»левис применительно к однородному материалу. вый диод, работающий в обратном направлении, в виде линейной эквивалентной схемы, показанной на рис. 2-27, б Соответствующая формула для такой идеализированной характеристики имеет вящ 1,1 10а В/см (при ср, = = 1 В) увеличиваег ве- ~ 'Я роятность туннелирова- ЗО ~~ ния в е'оо раз! Ясно, '/О и что при напряженно- ОО 'о стах 10' В/см и менее бО Е нет никакого смысла уО й.
учитывать туннельный эффект. Напротив, при а) о~ напряженностях более т/гб 10' В/см этот эффект становится весьма существенным. Плотность туннельного тока получается путем умножения приведенной выше вероятности туннелирования на некоторые параметры валентной зоны, а также на напряженность поля. Б результате а Рис. 2-26. Туннельный пробой.
о — аоииаа диаграмма; б — обратиаи аарактерие тика диода и режиме пробоа. Юетр" /а1 /= А(/ехр( — — ' /. Е (2-51) Начало пробоя оценивают условно, например, из равенства / = 10/о. При этом получают пробивную напряженность поля Е„р (опыт дает для германия Епр = 2 10а В/см и для кремния Епр = = 4 ° 10б В/см). Как известно, в реальных р-и переходах распределение потенциала нелинейное и поле непостоянное: максимальная напряженность поля имеет место на металлургической границе (см. рис. 2-7). Величину Е,„.можно выразить через напряжение (/, если подставить в формулу (2-бб) значения х = 0 и 1„ = 1, где 1 определяется фоРмУлой (2-12).
ПолагаЯ Е„,„, = Е„р, полУчаем напРЯжение тУннельного пробоя в следующем виде: а,аЕ'п 1 (/х = 22оа/ = 2 еаербЕпррб (2-52) Более точные полуэмпирические зависимости имеют вид !34): для германия (/з — 100р„+ 50рр! (2-53а) ' В несколько иной форме такое выражение получено и работе РЗ1. то расстояние а легко найти из рис. 2-28, а: б( = 1 (ер,/!(/!). Тогда вероятность туннелирования (см. выше) будет определиться напряженностью поля в переходе (Е = ! (/ !/1), шириной запрещенной воны, а также эффективной массой носителей. Нетрудно убедиться в очень сильной зависимости туннельного эффекта от напряжен- ности поля: изменение еа (ООО060402 О значения Е от 10е до для кремния 1/и 40р„+ Зр, (2-536) йд„ ОФ ео д и и о д дО ,В и, о ЛЛде ,=-;,= — 'Еп, 10-'.
— .> + д лт в пр' (2-54) Рис. 2-29. Лвиииьый пробой. о — схема равмиожеиив дырок; б — обрати«в ДЛя ГерМания Пря харвктериетика диода в режиме' «акиииоео прои,= 100В н ~= 10 Л бои. получается рв = 200 Ом. Как видим, это сопротивление мало н уменьшается с увеличением тока. Общий внд обратной характеристики с учетом туннельного пробоя показан на рис. 2-28, б. Лавннный пробой. Второй механизм пробоя заключается в лавинном «размножения» носителей в снльном электрическом поле 1351. Этот процесс можно представить себе так же, как ударную ноннзацню газа.
Электрон н дырка (аналог ноложнтельного иона в газе), ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из валентных связей атома полупроводника, расположенного в области перехода. В результате рождается новая пара электрон — дырка н процесс может повторяться под действием этих новых носителей (ряс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
