14-04-2020-ЭЛЕКТРОНИКА-1.1-ГЛАЗАЧЕВ (1171923), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийПри этом концентрации неосновных носителей n p0 и pn0 зависят от концентрации примесейN p и Nn следующим образом:n p0 p2ni2, pn0  i ,NnNpгде ni , pi – собственные концентрации носителей зарядов (без примеси) электронов и дырок соответственно.Скорость диффузии носителей заряда  n, p диф можно допустить близкой к их скорости дрейфа n, p др в слабом электрическом поле при небольших отклонениях от условий равновесия. В этомслучае для условий равновесия выполняются следующие равенства: p диф   p др   p ,  n диф   n др   n .Тогда выражение (1.15) можно записать в виде:qU внqU вн qU вн qU вн kT kTkTkTI p  n  q p  p n 0 e p n 0   q n  n p 0 e n p 0   q p p n 0  e 1  q n n p 0  e 1  qU вн qU вн(1.16) q  p pn 0   n n p 0  e kT  1  I o  e kT  1 .Обратный ток Io можно выразить следующим образом:qD p pn0 qDn n p0I o  q  p pn 0   n n p 0 ,LpLnгде Dn,p– коэффициент диффузии дырок или электронов; Ln, p – диффузионная длина дырок илиэлектронов.

Так как параметры Dn, p , pn0 , n p0 , Ln, p  Dn, p n, p очень сильно зависят от температуры, обратный ток I0 иначе называют тепловым током.При прямом напряжениивнешнего источника ( U вн  0 )qU внe kTI прэкспоненциальный членввыражении (1.16) быстро возрасТеоретическая ВАХтает, что приводит к быстромуросту прямого тока, который, какРеальная ВАХуже было отмечено, в основномДиффузионный токопределяется диффузионной соI  I n диф  I p дифставляющей.При обратном напряженииU прU обрI0внешнего источника ( U вн  0 )Дрейфовый токэкспоненциальный член многоТепловой пробойI  I n др  I p дрменьше единицы и ток р–nперехода практически равен обЛавинныйратному току Io , определяемому,Туннельныйпробойпробойв основном, дрейфовой составляющей.

Вид этой зависимостиI обрпредставлен на рис. 1.19. ПервыйРис. 1.19. Вольт-амперная характеристика p–n-переходаквадрант соответствует участкупрямой ветви вольт-ампернойхарактеристики, а третий квадрант – обратной ветви. При увеличении прямого напряжения ток р–nперехода в прямом направлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинается18А.В. Глазачев, В.П.

Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийучасток быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры. Если количество выделяемого при этом тепла будет превышать количествотепла, отводимого от полупроводникового кристалла либо естественным путем, либо с помощьюспециальных устройств охлаждения, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток р–n-перехода необходимоограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры.

Для этогонеобходимо использовать ограничительное сопротивление последовательно подключенное с p–nпереходом.При увеличении обратного напряжения, приложенного к р–n-переходу, обратный ток изменяется незначительно, так как дрейфовая составляющая тока, являющаяся превалирующей при обратномвключении, зависит в основном от температуры кристалла, а увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества. Такоеположение будет сохраняться до величины обратного напряжения, при котором начинается интенсивный рост обратного тока – так называемый пробой р–n-перехода.1.7.4.

Виды пробоев p–n-переходаВозможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p–nпереход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный итуннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной р–n-перехода, образованных слаболегированными полупроводниками. При этом ширина обедненного слоя гораздобольше диффузионной длины носителей. Пробой происходит под действием сильного электрическогоВполя с напряженностью E  812  104 ,. В лавинном пробое основная роль принадлежит неоссмновным носителям, образующимся под действием тепла в р–n-переходе.Эти носители испытывают со стороpnны электрического поля р–n-переходаускоряющее действие и начинают ускоренно двигаться вдоль силовых линий этого поля.

При определенной величиненапряженности неосновные носители заряда на длине свободного пробега l U вн (рис. 1.20) могут разогнаться до такой скоарости, что их кинетической энергии можетlоказаться достаточно, чтобы при очеред ударная ионизацияном соударении с атомом полупроводниWкинWпpка ионизировать его, т.е.

«выбить» одинWF pWгениз его валентных электронов и переброWвpсить его в зону проводимости, образовавпри этом пару «электрон – дырка». ОбраqU внзовавшиеся носители тоже начнут разгоWпnняться в электрическом поле, сталкиватьсяWFnс другими нейтральными атомами, и проWвnцесс, таким образом, будет лавинообразно нарастать. При этом происходит резкийброст обратного тока при практическиРис. 1.20. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в p–n-переходе:неизменном обратном напряжении.а – распределение токов; б – зонная диаграмма, иллюстрирующаялавинное умножение при обратном смещении переходаПараметром,характеризующимлавинный пробой, является коэффициент лавинного умножения M , определяемый как количество актов лавинного умножения в областисильного электрического поля.

Величина обратного тока после лавинного умножения будет равна:19А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийI  MI0 ,MWпpWF pWвpI1,I 0 1  U U  nп(1.17)где I0 – начальный ток; U – приложенное напряжение; U п – напряжение лавинного пробоя; n –коэффициент, равный 3 для Ge , 5 для Si .Туннельный пробой происходит в оченьтонких р–n-переходах, что возможно при оченьвысокой концентрации примесей N  1019 см 3 ,qU внкогда ширина перехода становится малой (порядка 0,01 мкм) и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когдаWпnвозникает большой градиент электрического поWFnля.

Высокое значение напряженности электричеWвnского поля, воздействуя на атомы кристалличеРис. 1.21. Зонная диаграмма, иллюстрирующаяской решетки, повышает энергию валентныхтуннельный пробой p–n-перехода при обратном смещенииэлектронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер (рис. 1.21) из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Причем «просачивание»происходит без изменения энергии носителей заряда.

Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.Тепловым называется пробой р–n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастаеттепловая мощность, выделяющаяся в р–n-переходе, и, соответственно, температура кристаллическойструктуры.

Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла и ослабевает связь валентных электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования дополнительных пар носителей «электрон – дырка». Если электрическая мощность в р–n-переходе превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает,в кристалле происходит необратимая перестройка структуры и р-n-переход разрушается.Для предотвращения теплового пробоя необходимо выполнение условияPрасс  U обр I обр  Pрасс max ,(1.18)где Pрасс max – максимально допустимая мощность рассеяния p–n-перехода.Поверхностный пробой. Распределение напряженности электрического поля в р–n-переходеможет существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника.

Поверхностныйзаряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностнымпробоем. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойствасреды, граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.1.7.5.

Ёмкость р–n-переходаИзменение внешнего напряжения на p–n-переходе приводит к изменению ширины обедненногослоя и, соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого p–n-переходведет себя подобно конденсатору, ёмкость которого определяется как отношение изменения накоп-20А.В.

Характеристики

Список файлов учебной работы