14-04-2020-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ-ПРИБОРЫ-И-УСТРОЙСТВА-ВЕЛИЧКО (1171919), страница 6
Текст из файла (страница 6)
е. высотапотенциального барьера. При этом толщина p-n - переходауменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются вприграничных слоях меньшей толщины.Так как в состоянии равновесия потоки электронов и дырок взаимнокомпенсируют друг друга, то концентрация неосновных носителейравны концентрациям основных носителей, способных преодолетьпотенциальный барьер, т.е.:n p nn eq kk T.(4.1)Отсюда следует, чтоk Рис. 4.3. Потенциальная диаграмма p-n - переходагде k T / q T 0.026 В.nk T ln n ,qnp(4.2)4748Из соотношения (4.2) можно сделать следующие выводы:1) при одних и тех же концентрациях примесей высотапотенциального барьера больше в p-n - переходах, созданных вполупроводниках с большей шириной запрещенной зоны(табл.
4.1);2) высота потенциального барьера возрастает при увеличенииконцентрации примесей в соответствующих областях;3) с увеличением температуры высота потенциального барьерауменьшается.Таблица 4.1Полупроводникк [В]Ge0.3 - 0.5Si0.6 - 0.8Прямое смещение p-n переходаПри подключении к переходу напряжения от внешнего источникаравновесие между дрейфовыми и диффузионными токами нарушается,и их разность определяет величину и направление результирующеготока, протекающего через переход. Так как обедненная область имеетбольшое (по сравнению с остальными участками цепи) сопротивление,то можно считать, что все внешнее напряжение падает на слоеобъемного заряда.
Внешнее электрическое поле складывается с полемконтактной разности потенциалов и в зависимости от полярностиприложенногонапряженияуменьшает(прямоевключение)результирующую высоту потенциального барьера или увеличивает ее(обратное включение).Когда к переходу приложено напряжение в прямом направлении, т. е.плюсом к p-области и минусом к n-области, то высота потенциальногобарьера и соответственно ширина p-n - перехода уменьшаются.
Врезультате этого начинает протекать ток (рис. 4.5).В реальных p-n - переходах концентрации доноров и акцепторовотличаются на несколько порядков. В таких несимметричных переходахпрактически весь обедненный слой сосредоточен в слаболегированнойчасти (рис. 4.4).Рис. 4.5. Прямое смещение p-n переходаРис. 4.4. Несимметричный p-n – переходПреодолевшие потенциальный барьер носители заряда оказываются всоседней области неосновными. Таким образом, через p-n - переходпроисходит инжекция неосновных носителей заряда в область,примыкающую к p-n - переходу.4950Вольт-амперная характеристика p-n перехода (прямая ветвь)Для любого электрического прибора важна зависимость между током,протекающим через него и приложенным напряжением.
График такойзависимости называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).Прямая ветвь вольт-амперной характеристики идеализированногоp-n - перехода представлена на рис. 4.6.Рис.4.7. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики германиевого икремниевого p-n – переходаРис. 4.6. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики p-n переходаВольт-амперная характеристикаp-n – переходазависит оттемпературы (рис. 4.8). При увеличении температуры p-n - переходауменьшается высота потенциального барьера и изменяетсяраспределение носителей заряда по энергиям (электроны, например,занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости).Из-за этих двух причин прямой ток через p-n - переход увеличивается сростом температуры при неизменном прямом напряжении.Т.
к. высота потенциального барьера уменьшается пропорциональноприложенному напряжению, то ток через переход резко возрастает(приблизительно по экспоненциальному закону).Прямые ветви вольт-амперных характеристик p-n - переходов,изготовленных из различных материалов, приведены на рис. 4.7.Очевидно что, чем меньше ширина запрещенной зоны полупроводника,тем больше ток.Рис.
4.8. Влияние температуры на прямую ветвь вольт-ампернойхарактеристики p-n - переходаВ общем виде вольт-амперная характеристикапредставляется экспоненциальной зависимостью:p-n - перехода51I пр U пр I 0 e T 152(4.3)напряженность электрического поля в p-n - переходе и увеличиваетсяглубина проникновения этого поля в прилегающие к переходу области.Обратный ток, протекающий через p-n - переход имеет двесоставляющие:где I0 - тепловой (обратный) ток.Iобр = I0 + Iтг,Обратное смещение p-n переходаЕсли созданное внешним источником электрическое поле вp-n – переходе совпадает по направлению с диффузионным (рис.
4.9), товысота потенциального барьера для основных носителей увеличивается.где I0 - тепловой ток насыщения (ток экстракции),Iтг - ток термогенерации в области объемного заряда.Механизм образования теплового тока насыщенияДанный ток обусловлен тепловой генерацией неосновных носителейна расстоянии диффузионной длины от p-n перехода (рис.4.10). Этиносители диффундируют к границам p-n перехода и экстрагируют всоседнюю область.Рис.
4.9. Обратное смещение p-n переходаОднако для неосновных носителей, т. е. для дырок в n-области и дляэлектронов в p-области, потенциальный барьер в p-n - переходе вообщеотсутствует. Неосновные носители заряда втягиваются электрическимполем вp-n - переход и проходят через него в соседнюю область происходит так называемая экстракция. При этом через p-n - переходбудет идти обратный ток, который относительно мал из-за малойконцентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к p-n переходу областях.Напряжение, имеющее рассмотренную полярность, называютобратным и считают отрицательным. Толщина p-n - перехода сувеличением обратного напряжения по абсолютному значениюувеличивается, так как при этом увеличивается суммарнаяРис.4.10. Механизм образования теплового тока насыщенияМаксимальное значение тока экстракции определяется, очевидно,числом неосновных носителей заряда, возникающих в полупроводникев единицу времени на таком расстоянии от перехода, которое онисмогут пройти за время жизни.
Это расстояние L называютдиффузионной длиной. Ввиду того что число неосновных носителейзаряда относительно невелико, ток экстракции через переход намногоменьше прямого тока. От приложенного напряжения он практически независит и является в этом смысле током насыщения.5354Механизм образования тока термогенерацииВольт-амперная характеристика p-n - перехода (обратная ветвь)Эта составляющая обратного тока обусловлена тепловой генерациейносителей в области объемного заряда (обедненной зоне).Генерируемые носители под действием поля p-n - перехода дрейфуютиз области объемного заряда: электроны перемещаются в n-бласть, адырки - в p-область (рис.4.11).Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым,обычно изображают в другом масштабе (рис.4.13).Рис.4.13.
Обратная ветвь вольт-амперной характеристики p-n - переходаРис.4.11. Механизм образования тока термогенерацииНа ток термогенерации оказывает существенное влияние шириназапрещенной зоны полупроводника. Доля Iтг тем выше, чем большеWЗ.Очевидно, что доля тока термогенерации с ростом обратногонапряжения в обратном токе через p-n - переход возрастает (рис.4.12).Таким образом, очевидно, что электронно-дырочный переходобладает нелинейной проводимостью: в прямом направлениипроводимость перехода значительно больше, чем в обратном. Этаособенность p-n - перехода находит широкое применение вполупроводниковой электронике.Дифференциальное сопротивление p-n – переходаДифференциальное сопротивление - это параметр, используемый дляописания работы p-n - перехода на малом переменном сигналеrдиф dU.dI(4.4)При прямом смещении с ростом тока дифференциальноесопротивление уменьшается Iпр - rдиф .При обратном смещении с ростом напряжения дифференциальноесопротивление сильно возрастает Uобр - rдиф .Рис.4.12.
Изображение составляющих обратного тока5556Вольт-амперная характеристика реального p-n – переходаВ реальных p-n - переходах учитывается и объемное сопротивлениебазового слоя. Вольт-амперная характеристика реального p-n - перехода(диода) представлена на рис.4.14.Емкости p-n – переходаЕмкостные свойства p-n - переходов проявляются при воздействиипеременных сигналов. Существуют две составляющие емкости p-n перехода: барьерная и диффузионная.Барьерная емкостьВ обедненном слое p-n - перехода по обе стороны отметаллургической границы существуют равные по значению, нопротивоположные по знаку объемные заряды Qоб, обусловленныеионами примесей.
Они сосредоточены в двух тонких слоях нарасстоянии ширины обедненной зоны (рис.4.16).Рис.4.14. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики реального p-n перехода (диода)Модели вольт-амперных характеристикПри анализе работы различных схем, содержащих диоды, могутприменяться различные модели вольт-амперной характеристики p-n перехода (рис.4.15).Рис.4.16. Расположение объемных зарядов в p-n - переходеПри изменении напряжения на переходе изменяется его толщина, аследовательно, и заключенный в переходе нескомпенсированный заряд,что и обусловливает емкостной эффект.
Барьерной емкостью называютотношение приращения заряда на переходе dQ к вызывающему егоприращению напряжения dU:а)б)Рис. 4.15. Модели вольт-амперных характеристик: а) - без учетадифференциального сопротивления, б) - с учетом дифференциальногосопротивления и теплового тока насыщения p-n - переходаC бар dQ.dU обр(4.5)5758Барьерная емкость, как и емкость обычных плоских конденсаторов,возрастает при увеличении площади p-n - перехода, диэлектрическойпроницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающегослоя:C 0 S,где 0 - электрическая постоянная; - относительная диэлектрическая постоянная.Исходя из этих соотношений, можно сделать следующие выводы:1) |Uобр| -- Cбар ,2) Nприм -- Cбар .Несмотря на то что у диодов небольшой мощности площадь переходамала, барьерная емкость весьма заметна за счет малой толщинызапирающего слоя и сравнительно большой относительнойдиэлектрической проницаемости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
