Минаев Е.И. - Основы радиоэлектронники (1266569), страница 15

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

Текст из файла (страница 15)

Концентрация дырок рр в полупроводнике р-типа рг=йл. (5.6) Произведение концентрации дырок и электронов удовлетворяет равенству ирр„=и~. (5.7) Следовательно, концентрации неосновных носителей (электронов), равная ия ис /Ратин И*, (5.5) 6.3.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЪ|Й ПЕРЕХОД. ПЛОСКОСТНОЙ ПОЛггПРОВОДНИКОВЪ|Й ДИОД Можно осуществить резкий или плавный переход от материала с проводимостью р-типа к материалу с проводимостью п-типа. Резкий р-п переход можно получить сплавлением материалов различной проводимости, а плавный р-л переход — выращиванием его в специальной газовой среде, На рис. 5.5 изображен сплавной переход, в котором изменение концентрации от проводимости р-типа к проводимости и-типа происходит на расстояние порядка 0,1 мкм. Это расстояние называется шириной металлургического перехода.

На рис. 5.5,а показаны только примесные атомы, т. е. акцепторные атомы слева и донорные атомы справа от перехода. Атомы ,Ултгтрвкгг я иткм а|ирки мм меси д тима ври мери Металлургический лервквд гм а,т ткм р и м" киле кмй ер га 'у Рис. 6,6, Переход р-и-типа и концентрация примесей по обе стороны р-и перехода Рис. 6.6. Переход р-д-типа и обедненный слой; в — структура обедненного слоя.

б — рас« пределенпе ааряда; в — вапрйженноста поля; г - распределепне потенцнала аз .аммм очень мала по сравнению с концентрацией дырок, т. е. лр((р„, (5.9) В дальнейшем будет показано, что неосновные носители играют важную роль в работе транзистора. основного материала (германия или кремния) не показаны. Здесь же показаны дырки и электроны, внесенные примесными атомами. Из рисунка видно, что примесные атомы вблизи границы перехода лишены дырок и электронов, так как они перешли границу перехода и рекомбинировали, т.

е. свободные электроны заняли места нарушенных валентных связей — дырок. В результате образуется слой, не имеющий свободных носителей, называемый обедненным. Дальнейшему переходу дырок и электронов от более удаленных атомов препятствует электрическое поле возникающего при этом объемного заряда-.-Оно отталкивает дырки влево, а электроны вправо, препятствуя уходу новых дырок нз области р и новых электронов из области и.

На рис. 5.6,б показано распределение объемного заряда. При этом ширина металлургического перехода 0,1 мкм предполагается пренебрежимо малой по сравнению с шириной обедненного слоя около 1 мкм. По оси ординат отложена плотность объемного заряда. Буквой д обозначен заряд электрона, равный 1,6 10 'а Кл. На рис. 5.6,в показана напряженность поля Е. Она отрицательна, так как электрическое поле имеет направление, обратное (принятому за положительное) направлению отсчета расстояния х.

При х=О напряженность поля порядка 104 В/см. На рис. 5.6,г приведена зависимость электрического потенциала вдоль осн х от расстояния до границы раздела. Свободные положительные заряды-дыркн находятся слева, и разность потенциалов рнс. 5.6,г яв. ляется для ннх потенциальным барьером, который они должны преодолеть, чтобы перейти слева направо. Очевидно, что для свободных электронов в правой области полупроводника потенциальный барьер имеет такую же величину. Барьер для положительных зарядов-дырок показан сплошной линией, а для электронов — штриховой, Например, электрон, находящийся справа, должен затратить энергию, чтобы подняться на «горку», нарисованную штриховкой линией.

Вольт-амперная характеристика р-и перехода. На рис. 5.7,а показан р-и переход, замкнутый накоротко внешней электрическои цепью. Заштрихованная область соответствует обедненному слою. Если на переход подать положительное напряжение (рис. 5.7, б), то обедненный слой сузится. При подаче напряжения обратного знака обедненный слой расширится (рис. 5.7,в).

Говорят, что при подаче положительного напряжения осуществляется смещение р-и а) Рнс. 5.7. Ширина обедненного слоя: а — сея смещеяяя; б — прямое смещевие; с — обратное смещение перехода в прямом направлении, а при подаче отрицательного напряжения — в обратном. Смещение в прямом направлении понижает, а смещение в обратном направлении увеличивает потенциальные барьеры для электронов и дырок иа величину напряжения смешения.

Тонким р-л переход называется, если выполняется условие (о«~в, (5.10), где Ео — ширина обедненного слоя; Е,а — длина диффузионного смещения, т. е. средняя длина свободного пробега дырки или электрона до рекомбинации. Для тока через тонкий р-и переход справедливо следующее выражение: г'=1 (е Iтп,— !) (5.11) где l,— обратный ток насыщения; и — напряжение на переходе; у — коэффициент, равный 1 для германия и 1 — 2 для кремния; (г', — температурный потенциал: и,=йу) д (5.12) (д — заряд электрона; А — постоянная Больцмана; Т вЂ” абсолютная температура).

При комнатной температуре (Т=290 К) (г',=0,025 В. (5.13) Снабдив р-и переход омическими контактами, одинаково хорошо проводящими ток в любом направлении, получим плоскостной диод. На рис. 5.6 показаны вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого плоскостных диодов. Масштаб цо оси ординат для отрицательных значений токов во много раз болыпе, чем для положительных.

Угке при сравнительно небольших отрицательных напряжениях обратный ток равен току насыщения г',. Этот ток создается неосновными носителями: электронами р-области и дырками п-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела. При увеличении обратного напряжения ток не увеличивается, так как на границе перехода число неосновных носителей в единицу времени определяется лишь температурой и не зависит от приложенного извне напряжения, если оно ие очень велико. Несмотря на более крупный масштаб по оси ординат для отрицательных значений тока, обратный ток кремниевого диода не Рнс. 8,8.

Вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого плоскостных диодов 83 показан на рис. 5.8, так как обычно он на 2 — 3 порядка меньше обратного тока германиевого диода. Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется у германиевых диодов лишь при напряжении 0,1 — 0,2 В, а у кремниевых — при напряжении — 0,5 — 0,6 В. Следует отметить, что при определении прямого тока можно пренебречь единицей в выражении (5.11) по сравнению с экспоненциальным членом, поскольку напряжение, при котором начинает течь заметный ток, равно 0,1 — 0,2 В, т. е. во много раз превышает температурныи потенциал У,=0,025 В.

Таким образом, можно считать, что в рабочей области использования диода прямой ток 1=1,е"дп . (5.14) Дифференциальное сопротивление. Взяв производную тока ! по напряжению и и подставив значение 11, из (5.13), найдем следующую формулу для дифференциального сопротивления диода в омах при известном постоянном токе! в миллнамперах через диод: гд=уБт(1, (5.15) где у — коэффициент, входящий в выражение (5.11), обычно принимают равным 1; У„=25 мВ. Данная формула справедлива в предположении, что омическое сопротивление полупроводникового материала пренебрежимо мало. Например, для маломощных диодов она справедлива, пока дифференциальное сопротивление не достигнет 1 — 2 Ом. Определяя сопротивление диода при больших токах, к сопротивлению перехода следует добавлять омическое сопротивление самого полупроводника.

Дифференциальное сопротивление называют также сопротивлением переменному току и динамическим сопротивлением. Сопротивление диода постоянному току, очевидно, равно Й =- и~(. (5. 16) Нетрудно заметить, что для положительных напряжений сопротивление переменному току всегда во много раз меньше сопротивления постоянному.

Характеристики реальных плоскостных диодов отличаются от характеристик, описываемых выражением (5.11). Обратный ток этих диодов несколько возрастает при возрастании обратного напряжения. Наряду с плоскостными в радиоэлектронике широко применяются точечные полупроводниковые диоды. Такой диод можно, например, получить соприкосновением заостренной пружинящей проволочки из металла с полупроводниковым материалом. Обычно для надежности точечного контакта осуществляется электрическая сварка металла с полупроводником. В результате сварки на гра- нице раздела образуется р-п переход в виде полусферы, имеющей очень малую площадь.

Следовательно, точечный полупроводниковый диод также имеет плоскостной р-и переход. В отличие от плоскостного диода, в точечном этот переход находится не в глубине полупроводника, а вблизи его поверхности. Особенностью точечного диода является малое отношение площади перехода к периметру, ограничивающему эту площадь. У точечных диодов обратный ток почти линейно растет с ростом напряжения. Они как бы обладают сопротивлением утечки, включенным параллельно переходу. Такая утечка создается за счет того, что ток через поверхность оказывается ббльшим, чем обратный ток через переход. Барьерная емкость. Варикап. Емкость запертого р-и перехода называется барьерной.

С увеличением запирающего напряжения толщина обедненного слоя увеличивается, поэтому барьерная емкость, обусловленная неподвижными зарядами, при этом умеяьшается. Барьерная емкость С(и) =С(0) 1 — "" ~и,+и/ где С(0) — емкость при и=0; и„— контактная разность потенциалов; и — запирающее напряжение; коэффициент и в показателе степени равен 2 для резких р-и переходов и 3 для плавных переходов. Диоды, специально сконструированные для изменения емкости изменением значения запирающего напряжения, называются вари- капами.

Характеристики

Список файлов книги