Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Также оцените в процентах увеличение концентрации электронов и и дырок р в результате инжекции. Ответ: п/р 0,01, увеличение п = 10 %, увеличение р - 1 % 1.8. Удельная проводимость р-полупроводника 100 Ом. см. Другие параметры полупроводника: и; = 101о см е, рр — — 500 смэ/В с, р„= 1200 смэ/В. с. Вычислить, сколько электронов приходится в полупроводнике на один миллиард дырок.
Ответ: 6,4 электрона. 1.9. У полупроводника и-типа удельное сопротивление 40 Ом см. Он должен быть преобразован в р-полупроводник. Рассчитайте требуемую концентрацию акцепторной примеси. Подвижности электронов и дырок соответственно равны 500 смэ/В с и 1200 смэ/В с. Ответ: Мл = 6,2 х 10ы см е. 1.10. У образца кремния концентрация доноров 2 х 101е см е и концентрация акцепторов 3 х 10'е см в. Каков тип полупроводника, р или и? Чему равна концентрация основных носителей? Ответ: р-типа, концентрация дырок (Мл — Жо) равна 10'в см в. ГЛАВА 2 Р-.Х-ПЕРЕХОД Кроме того, что р-и-переход сам по себе важный элемент электронных схем, он является основой большого числа других полупроводниковых приборов.
Тема этой главы — образование р-п-перехода, рассмотрение его свойств. Обсуждается поведение р-п-перехода в условиях прямого и обратного смещения, электрический ток через р-и-переход. Кратко представлены процессы, ответственные за пробой перехода. Темы, рассмотренные в этой главе: диффузионный и дрейфовый токи в полупроводнике; образование р-и-перехода; свойства переходной области; р-и-переход в условиях обратного и прямого смещения; лавинный и зенеровский пробой.
2.! . Диффузионный ток и ток дрейфа Диффузионный тнон Диффузия зарядов, вызывающая диффузионный ток, имеет место как естественный процесс в любой системе, где существует градиент концентрации зарядов. Диффузионный ток,уо;щ,), вызванный электронами с градиентом концентрации йп/дх (рис.
2.1, а), можно записать как ин уо1щ.) = Ф'-)е —. йх (2.1) Аналогично, диффузионный ток дырок (рис. 2.1, б) равен йр 1~ицл) = — ~Фл —. ь' (2.2) Здесь |>~ и Юл — коэффициенты диффузии электрона и дырки. Уравнения (2.1) и (2.2) записаны с учетом знака носителя заряда. Суммарный диффузионный ток: Аицйокн) = уо1я(е) + '4н(л) оп йр Уощ1олы) = Ч1зе чУ~л 'ох Нх ~~~40 Глава М. ри-переход с к йз Фв *й о М с с к Е ип Ф ид о Х й а ои и е с Расстояние х Расстояние х а) б) Рис.
2.1. Концентрация электронов как функция расстояния. Стрелка показывает направление потока диффузии (противоположно направлению диффузионного тока) (а); концентрация дырок как функция расстояния. Стрелка показывает направление потока диффузии (совпадает с направлением диффузионного тока) (б) Ток дрейфа Движение носителей заряда под действием электрического поля создает ток, называемый током дрейфа. По закону Ома плотность тока дрейфа Хя д под действием электрического поля Е можно записать как ,Х, д=аЕ, где о — удельная проводимость.
Для электронов о = рте)ен. Следовательно, плотность тока дрейфа для электронов и для дырок может быть выражена следующим образом: Юв„;д(е) = — уп(лвЕ, (2.3) узнд(а) = ЧрдрЕ. (2.4) Здесь (лн и )ер — подвижности электронов и дырок. Суммарный ток дрей- фа 'тееттт(еоеа1) = '~йф(е) + тягот(а) унуц~оы) = — т)те(л Е+ Чр)ерЕ. Диффузионный ток и ток дрейфа играют важную роль в образовании р-и-перехода и в функционировании приборов. 2.2. Образование р -перехода Рассмотрим небольптой кристалл полупроводника (например, кремния). Одна сторона этого полупроводника легирована так, чтобы она имела р-тип проводимости, а другая — и-тип проводимости.
Схематически это изображено на рис. 2.2. Й.ь Обр .р . р д 4!)) Рассмотрим свойства этого кристалла, которые присуши также и реальным р-и-приборам. Они следующие: А, Области тз- и р-типа обычно имеют однородное (но не равное) легирование. В. Размеры областей п- и р-типа больше, чем диффузионные длины носителей заряда. Диффузионная длина электрона обычно составляет доли миллиметра.
У дырок она еще меньше. С. Концентрация примесей р- и и-областей во много раз (на 2 — 3 порядка как минимум) превьппает концентрацию собственных носителей пт материала. То есть, если тт'д и ХП вЂ” концентрации акцептора и донора соответственно в р- и и-областях полупроводника, желательно, чтобы р(= Мд) » тзм тз(= Фгт) » пи Предполагается, что все атомы примеси ионизированы, р и и представляют концентрацию дырок и электронов проводимости в р- и гк-областях.
П. В зависимости от способа изготовления переход от Мд к Мп может происходить постепенно или резко. Соответственно, бывают два типа переходов — (1) резкий р-и-переход и (й) плавный р-п-переход. Поскольку резкий р-и-переход анализируется проще, будем рассматривать такой переход. Дальше увидим, что переходы, полученные технологией оплавления, относятся к переходам резкого типа.
Металлургический переход Рнс. 2.2. Кристалл полупроводника. Од- на сторона легнрована,чтобы получить и-тип проводимости, другая — р-тнп Рнс. 2.3. Двумерное представление полупроводника перед образованием перехода (схематнческн). 9, О обозначают ноннзнрованные атомы донорной н акпепторной примеси, +, — обозначают дырки н электроны Па рис. 2.3 изображено двумерное представление кристалла полупроводника. Показаны основные носители — дырки и отрицательно заряженш те неподвижные атомы акцептора на р-стороне и электроны и положительно заряженные неподвижные атомы донора на и-стороне кристалла.
Для ясности на схеме не обозначены неосновные носители (электроны на р-стороне и дырки на п-стороне). (42 Глаеа 2. р-п-переход Точно так же, как имеет место диффузия газов при удалении перегородки между двумя заполненными газом камерами, естественным следствием большого градиента концентрации подвижных носителей заряда в обеих сторонах полупроводника станет диффузия зарядов через переход. Пересекая переход из одной области в другую, электроны и дырки взаимодействуют, рекомбинируют и перестают быть активными. (Вспомните процесс рекомбинации в его простейшем виде — электрон проводимости падает в свободное место в зоне валентности (дырку) и в результате оба подвижных носителя теряют способность к передвижению.
Следовательно, узкая область, параллельная переходу, формируется таким образом, что не имеет дырок в р-стороне и не имеет электронов в и-стороне перехода. В этой узкой области, названной кобедненной областьют, количество подвижных носителей резко уменьшается. а) Электрическое поле б) Электрическое поле Р ~ л Р Результирующий Результирующий отрицательный заряд положительный заряд Обедненная область Рис. 2.4. Пространственный заряд в обедненной области создает электрическое поле (а); направления дрейфа и диффузии дырок и электронов и результирующие электрические токи (б) Отсутствие подвижных носителей нарушает нейтральность заряда, и неподвижные ионизированные атомы донора и акцептора в обедненной области вызывают появление в этой области результирующего заряда.
Таким образом, обедненная область имеет пространственный заряд, положительный на п-стороне, и равный по величине отрицательный— на р-стороне перехода (рис. 2.4, а). Эти заряды в обедненной области создают электрическое поле. По мере того, как продолжается диффузия основных носителей через переход, все большее число ионизированных атомов примеси становится активным, что усиливает электрическое поле в обедненной области. Направление образованного в обедненной области (встроенного в обедненную область) поля таково,что оно препятствует диффузии основных зарядов (рис. 2.4, а), но способствует дрейфу неосновных зарядов, т.е.
ая к р рд р *. бд г б 4~3) электронов из р-стороны в направлении к и-области и дырок с п-стороны к Р-области полупроводника. Это приводит к появлению тока дрейфа в дополнение к диффузионному току. Вспомним, что движение электронов и дырок в противоположньгх направлениях создает электрический ток в одном направлении из-за их разноименных зарядов, и направление движения дырок совпадает с направлением электрического тока. На рис. 2.4, б показаны направления дрейфа и диффузии разных зарядов и результирующих электрических токов.
Диффузия и дрейф зарядов через переход продолжают развиваться до тех пор, пока диффузионный ток не станет равным току дрейфа. Тогда полный ток становится равным нулю, достигается равновесие и завершается образование р-и-перехода. Напряжение Рв, созданное равновесным встроенным электрическим полем в обедненной области, имеет величину около 500 мВ для кремниевого Р-и-перехода и около 200 мВ для германиевого. Напряжение Рв иногда называется контактной разностью потенциалов или барьерным потенциалом. Важно отметить, что Р-и-переход невозможно образовать, если взять р- и и-полупроводники по отдельности и приложить их друг к другу.
Нарушение физической непрерывности будет препятствовать процессам (например, диффузии зарядов), ответственным за образование перехода. Способы изготовления р-и-перехода будут рассмотрены позже. 2.3. Концентрация заряда и электрическое поле в обедненной области Как было показано выше, обедненная область в Р-и-приборе — это область с пространственным зарядом. Вдали от перехода в обоих областях кристалла поддерживается нейтральность заряда.
Это означает наличие равного количества положительных и отрицательных зарядов в любом конечном пространстве вдали от перехода. Например, в области на стороне р вдали от перехода положительный заряд, образованный дырками, и отРицательный заряд, образованный ионизированными атомами акцептора, обеспечивают нейтральность. На Рис. 2.5 показано присутствие неподвижных зарядов в обедненной области.
Количество положительных зарядов в обедненной области равно количеству отрицательных, но располагаются эти заряды по двум сторонам перехода на разном расстоянии. Другими словами, ОИ'„~ ОИ'р. Это происходит из-за того, что одна область р-и-прибора легирована сильнее, чем другая. Причины такого ассиметричного легирования станут яснее позже, оно очень желательно, в частности, для биполярных транзисторов. ~~~44 Глава х.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
