А.Н. Матвеев - Атомная физика (1121290), страница 96

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 96)

П оэтому дырки,проникающие из /7-области в «-об­ласть, диффундируют в ней в течениенекоторого времени, а затем анни­гилируют с электронами. Аналогичноведут себя избыточные электроны,попавшие из «-области в /7-область.П оэтомуконцентрация избыточных дырок в«-области и концентрация избыточ­ных электронов в /7-области убываютпри удалении от границы между р- и«-областями. Это убывание экспонен­циально,что видно из следующих соображе­ний. Из-за независимости вероятнос­ти аннигиляции электрона или дыркиот истории ее предшествующей диф­фузии можно написать, что изменение358 13 Э лектронны е свойства твердых телконцентрации d« электронов или ды ­рок в результате аннигиляции в те­чение времени d? должно быть про­порционально этому промежутку вре­мени и концентрации:d« = — (l/x )« d t,р-еблаетьп-а5ластьп = и0е _,/т,120Концентрация избыточных электронов и ды рокна переходеII'liЕэЕдп-областьj.(69.1а)где 1/х характеризует вероятность ан­нигиляции.

Отсюда получаемp -область-Jet121Внешняя разность потенциалов приложена так,что со стороны «-области потенциал отрица­телен„ .г122Внешняя разность потенциалов приложена так,что со стороны «-области потенциал положи­телен(69.16)т. е. экспоненциальное уменьшение кон­центрации со временем (рис. 120).С помощ ью понятия средней ско­рости диффузии отсю да сразу получа­ется экспоненциальная зависимостьконцентрации от расстояния до гра­ницы раздела между р- и «-областя­ми. Вообще говоря, х в (69.1а) можетнесколько различаться для электро­нов и дырок.

Аналогично несколькоразличается и скорость спадания кон­центрации электронов и дырок поразные стороны от границы. В чис­том германии при комнатной темпе­ратуре значение т составляет несколь­ко тысячных долей секунды. Это при­водит к заключению, что ширина пе­рехода имеет порядок микрометра.П ри наличии примесей эта величинауменьшается и может быть сделаначрезвычайно малой при достаточнобольшой концентрации примесных ато­мов. Она уменьшается обратно про­порционально концентрации примес­ных атомов. Заряд, который перете­кает из одной области в другую приобразовании перехода, очень мал.Обычно энергия Ферми р- и «-облас­тей полупроводников различается при­мерно на 1 эВ.

П оэтому разностьпотенциалов, возникаю щ ая на пере­ходе и выравниваю щ ая энергии Фер­ми по разные стороны перехода, име­ет порядок 1 В. Как показывает рас­чет, для создания такой разности по­тенциалов достаточно, чтобы через§ 69. /wi-Переходы и транзисторы 359переход просочилось 10-13- 1 0 ~ 14 Клзаряда, т.е. 105- 1 0 6 электронов.Электрический ток через р-и-переход. Если внешняя разность потен­циалов приложена так, что со сто­роны «-области потенциал отрицате­лен, а со стороны p -о б л а с т и -по­ложителен, то потенциальные барье­ры для основных носителей уменьша­ются (рис. 121).

Б лагодаря этому си­ла тока основных носителей увеличи­вается, поскольку для них уменьшает­ся потенциальный барьер. Сила токаже неосновных носителей практичес­ки не изменяется, потому что этотдиффузионный ток в основном опре­деляется концентрацией носителей ине зависит от разности потенциалов.Если внешняя разность потенциа­лов приложена так, что со стороны«-области потенциал положителен, асо стороны ^-области - отрицателен,то потенциальные барьеры для основ­ных носителей увеличиваются (рис.122).

Благодаря этому гок основныхносителей уменьшается и практическистановится равным нулю. Ток же не­основных носителей по-прежнему прак­тически не изменяется по тем же при­чинам, что и в предыдущем случае.Гок в направлении от «-области к/7-области не идет.Это направление называется за­порным.В направлении от /7-области к побласти ток проходит нормально.Это направление называется про­ходным.Существование проходного и за­порного направлений может бытьтакже понято из следующих сообра­жений: «-область характеризуется изо­билием свободных электронов и оченьскудным запасом дырок, а р-областьимеет в изобилии дырки и очень бед­на свободными электронами.

П оэто­му легко осуществимым является лишь123Вольт-амперная характеристика р-я-перехода.Положительные значения напряжения U соот­ветствуют падению внешнего потенциала напереходе от р-области к «-области (т.е.ситуации, представленной на рис. 121)движение электронов из «-области в/7-область и движение дырок из р-об­ласти в «-область, т. е. электрическийток в направлении из p-области в«-область. Это и есть проходное на­правление. Ток в обратном направле­нии практически невозможен, посколь­ку практически нет в наличии свобод­ных электронов и дырок, которыемогли бы осуществить этот ток.

Этонаправление является запорным.Из изложенного видно, что ана­логичные явления должны возник­нуть также на переходе между м етал­лом и полупроводником.Переход металл - полупроводниктакже обладает способностью про­пускать электрический ток в одномнаправлении и не пропускать его вдругом, причем полупроводник приэтом может быть лю бого типа.Это обусловлено тем, что даже«-полупроводник относительно метал­ла может считаться чрезвычайно бед­ным в отношении свободных электро­нов.

Ясно, чтопроходным направлением на перехо­де металл - полупроводник являетсянаправление от полупроводника к ме­таллу.Вольт-ампернаяхарактеристика.Вольт-амперная характеристика р-пперехода показана на рис. 123. Таким360 13. Э лектронны е свойства твердых тел124Вольт-амперная характеристика для р-п-перехода в кремнииI1=0а)125Включение диода в схемыниЗП! г|кS3>а)126Механизм действия туннельного диодар-оВлатВ)образом, р-л-переход обладает одно­сторонней проводимостью , а именнопроводит ток только в направленииот р -области к л-области.Наиболее распространенными м а­териалами для создания ^-«-перехо­дов являются германий и кремний.У германия концентрация основныхносителей больше, чем у кремния;подвижность носителей также боль­ше.

Вследствие этого проводимостьр-л-переходов в германии в проход­ном направлении значительно боль­ше, чем у кремния, но зато и обрат­ный ток больше. Преимуществомкремния является возможность эксплу­атации при более высоких темпера­турах.Вольт-амперная характеристика,показанная на рис. 123, хорошо опи­сывает р-л-переходы в германии. О д­нако р-л-переходы в кремнии имеютвольт-амперную характеристику, о т­личную от изображенной на рис. 123.Для них вольт-амнерная характерис­тика показана на рис. 124. Возмож­ной причиной такой вольт-ампернойхарактеристики является очень м алаяконцентрация неосновных носителейв кремнии.

П оэтому при малых внеш­них напряжениях плотность тока не­основных носителей чрезвычайно м а­ла и лишь при достижении 0,6 В силатока начинает экспоненциально рас­ти, как это происходит в германииначиная практически с нулевой раз­ности потенциалов. Наличие сдвига0,6 В в сторону положительных на­пряжений в вольт-амперной характе­ристике кремния очень важно прини­м ать во внимание в кремниевых тран­зисторах. Для их удовлетворительно­го функционирования разность потен­циалов между базой и эмиттеромдолжна бы ть установлена примерноравной 0,6 В.Емкость р-л-перехода.

К ак видно§ 69. ^-n-П ереходы и транзисторы 361на рис. 120, по разные стороны отграницы между р- и «-областями име­ются противоположные заряды и име­ется разность потенциалов между ни­ми. Это означает, что/7-и-переход обладает определеннойемкостью. Емкость зависит от напря­жения, которое прилагается к пере­ходу в запорном направлении.В большинстве твердотельных ус­тройств поперечная площ адь р-п-перехода обычно много меньше I м м 2, итем не менее они имею т емкости,ненамного меньшие 50 пФ.Наличие емкости у /?-«-переходасказывается на его работе при высо­ких частотах, поскольку перестройкаплотности заряда несколько отстаетот изменений приложенной разностипотенциалов.

Д ля уменьшения емкос­ти приходится использовать различ­ные приемы, на которых мы не ос­танавливаемся.Диод. Переход, обладая односто­ронней проводимостью, действует какдиод (рис. 125, а; стрелка показываетнаправление, в котором диод прово­дит ток). Включение диода в проход­ном направлении приведено на рис.125,6. Резистор сопротивлением Rвключен в цепь для ограничения си­лы тока. Включение диода в запор­ном направлении изображено на рис.125, в. Твердотельные диоды при над­лежащем охлаждении удается исполь­зовать даже при очень больших токахпорядка 1 кА.Туннельный диод. При сильном ле­гировании, когда концентрация при­месных атом ов становится достаточ­но большой, происходит расширениепримесных уровней и они перекрыва­ют границу между зонами, в резуль­тате чего уровень Ферми попадаетвнутрь зоны (либо проводящей, либовалентной). При этом на переходевозникает ситуация, изображенная нарис.

126, а. Как обычно, в отсутствиевнешнего напряжения энергии Фермипо разные стороны перехода одина­ковы. При сильном легировании пере­ход узок и концентрация неосновныхносителей мала.При наложении внешнего напря­жения в проходном направлении воз­никает обычный диодный небольшойток. Однако ввиду того что по разныестороны перехода, разделенного по­тенциальным барьером, энергии но­сителей одинаковы, возникает тун­нельный эффект (см. § 29), в результа­те которого носители проникают че­рез потенциальный барьер на другуюсторону от перехода без измененияэнергии. Благодаря этому через пере­ход течет более значительный ток.При дальнейшем увеличении разнос­ти потенциалов энергия электроновв «-области у перехода увеличивает­ся, а в /^-области - уменьшается (рис.126,6) и область перекрытия примес­ных уровней начинает уменьшаться.В результате этого сила тока начина­ет уменьшаться.

М аксимум силы то ­ка достигается при наиболее полномперекрытии зон (рис. 126, а). Когдапримесные зоны сдвигаются друг от­носительно друга настолько, что каж­дой из них на другой стороне пере­хода противостоит запрещенная зона(рис. 126, б), туннелирование становит­ся невозможным и сила тока черезпереход уменьшается. При достаточ­но больших разностях потенциаловзоны проводимости п- и /7-областейоказываю тся почти на одном уровне(рис. 126, в) и становится возможнымвозникновение обычного диодного то­ка.

Характеристики

Список файлов книги