29_kospect_electro (555831), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Контактная разность потенциалов определяется из энергетической диаграммы (рис.2.3):qϕ 0 = E F n − E F p ,(2.6)здесь E F p и E F n - уровни Ферми для p- и n- областей.Прохождение тока через р-n переход происходит в неравновесном состоянии, когда токи диффузии идрейфа через переход не уравновешены. Это происходит, когда к переходу приложено внешнее напряжение ипотенциальный барьер φ0 понижен или повышен по сравнению с его значением φ0 в равновесном состоянии.Рассмотрим прямое включение внешнего источника. Плюс источника напряжения подается на р-область,а минус на n-область.
Ток, который будет протекать, называется прямым током. Поле источника Епротивоположно полю Ео, возникающему за счет контактной разности потенциалов. Результирующее полеуменьшается и потенциальный барьер снижается. Вследствие снижения потенциального барьера количествоосновных носителей заряда, диффундирующих через переход, возрастает. Сумма диффузионного и дрейфовоготоков не равна нулю.
Напряжение на переходе становится равным φ= φ0 – U , здесь U –напряжение внешнегоисточника. Из-за градиента концентрации носителей заряда диффузионный ток при увеличении U достигаетбольших значений. Дрейфовый ток становится меньше диффузионного. В этих условиях сокращается степеньобеднения переходного слоя, сопротивление слоя уменьшается и ширина слоя также уменьшается.XП =2ε(ϕ 0 − U ) 1 + 1 q NA NД (2.7)Очевидно, что сопротивление перехода зависит от напряжения, следовательно, переход обладает нелинейнымсопротивлением.Электронно-дырочный переход при прямом включении внешнего источника характеризуется энергетическойдиаграммой (рис.2.5).Из энергетической диаграммы следует, что чем больше прямое напряжение Uпр , тем меньше величинапотенциального барьера на границы р и n-областей переходаРассмотрим электронно-дырочный переход при обратном включении напряжения к переходу.
Основныеносители заряда уходят из контактных областей обоих полупроводников, возрастает обеднение слоя,увеличивается ширина p-n перехода и его сопротивление. Электрическое поле от внешнего источника того женаправления, что и поле Ео. Высота потенциального барьера: φ= φ0 + Uобр . Толщина переходного слояувеличивается в соответствии с соотношением:XП =2ε(ϕ 0 + U ) 1 + 1 q NA NД (2.8)Диффузионный ток основных носителей заряда уменьшается (почти прекращается,неосновные носители выносятся полем в противоположные области). Основная составляющая тока через переход– ток дрейфа неосновных носителей. Их концентрация невелика, ток через переход при обратном включениинезначителен.
Диффузия не основных носителей заряда к границе перехода, где они подхватываются полем ипереносятся через переход. Это явление называется экстракцией носителей заряда.Лекция 3. Физические процессы в электронно-дырочных переходах(продолжение)Вольтамперная характеристика идеализированного перехода. Учет сопротивления базы в реальномпереходе. Краткая характеристика пробоев в электронно-дырочном переходе.
Емкости переходов.Вольтамперная характеристика - это зависимость тока от приложенного напряжения. Вывод выражениядля вольтамперной характеристики электронно-дырочного перехода рассматривается в одномерном случае.Предполагается, что токи дрейфа носителей заряда направлены на встречу токам диффузии. В результатепроведенных расчетов (см. учебные пособия по полупроводниковой электронике) получены следующиевыражения для токов в переходе. Ток диффузии (инжекции) электронов через переход:I n = S П q Lnn p0 U exp− 1 .τn ϕT (3.1)I p = SП q Lpp n0 U exp− 1 .τp ϕT (3.2)Ток инжекции дырок:Полный ток через переход в зависимости от напряжения представляется в виде:UI = I n + I p = I 0 exp − 1 .(3.3)ϕT Здесь введены обозначения: S П -площадь перехода, Ln , L p - диффузионные длины электронов и дырок,Dn = L2n τ n , D p = L2p τ p - коэффициенты диффузии электронов и дырок, τ n , τ p – их времена жизни, n p 0 равновесная концентрация электронов в .p- области, p n 0 - соответствующее значение концентрации дырок в nобласти.
Концентрации неосновных носителей в областях перехода в равновесном состоянии переходаопределяются соотношениями:ni2,(3.4)NAв которых n i - концентрация носителей в собственном полупроводнике, N D и N A - концентрации донорной иp n0 =ni2,NDn p0 =акцепторной примесей. Величину температурного потенциала в формуле (3.3) ϕ T = k T q ( q = 1,6 ×10 −19 Кл –заряд электрона) можно определять по приближенной формуле ϕ T ≈ T 11600 В, в которой температура Tвыражена в К. При расчетах принимается значение T = 300 K . При ширине p- и n- областей W p >> Ln , W n >> L pвеличинаDDpI 0 = S П q n n p 0 +p n0 LLp n(3.5)определяет обратный ток электронно-дырочного перехода, который при больших смещениях напряженияобусловлен дрейфом (экстракцией) неосновных носителей через переход.
Обратный ток определяется площадьюперехода, степенью легирования материала (значениями n p 0 , p n 0 ), параметрами Dn , p и τ n, p . Это - постояннаявеличина, определяется только температурой и называется тепловым током.Дифференциальное сопротивление p – n-перехода определяется соотношениемRдиф =ϕdU= T ,d I I +I 0(3.6)зависящим от величины тока на вольтамперной характеристике.
При этом Rдиф достигает больших значений пристремлении обратного тока перехода к предельной величине I 0 . Общий вид вольтамперной характеристикиперехода представлен на рис. 3.1 (для наглядности с различными масштабами токов и напряжений на осях припрямом и обратном смещении перехода). Указаны механизмы формирования прямого и обратного токов черезпереход.Соотношения для проведения расчетов I (U ) получены в пренебрежении объемным сопротивлением базыRб , которое в реальных переходах изменяется в широких пределах от единиц до сотен Ом. В этих условияхвнешнее напряжение распределяется между обедненным слоем и областью базы и зависимость тока отнапряжения I (U ) следует представлять в виде:U − I RбI = I 0 exp− 1 .ϕT(3.7)При проведении расчетов целесообразно пользоваться зависимостью IU = ϕ T ln + 1 + I Rб I0 (3.8)для полученных по формуле (3.3) значений тока в идеальном p – n-переходе.
Для определениядифференциального сопротивления реального перехода следует использовать соотношениеRдиф = (ϕ T I ) + Rб .(3.9)При малых токах падение напряжение в базовой области можно не учитывать. Однако с ростом тока, когдаI >> ϕ T Rб , эта величина существенно превышает падение напряжения на переходе и на вольтампернойхарактеристике перехода выделяется линейный участок с Rдиф ≈ Rб .При проведении расчетов вольтамперных характеристик необходимо исходить из ограничения мощностиPмакс , рассеиваемой диодной структурой. Для идеального перехода максимальное напряжение U макс ,подаваемое на переход, определяют из уравнения:UI 0 exp макс − 1 U макс = Pмакс .ϕT(3.10)В реальных переходах основное падение потенциала происходит в базе и ограничениемощностью, выделяемой в переходе, можно связать с величиной максимального тока:I макс =PмаксRб(3.11)При обратном напряжении превышающем критическое значение ток в p-n переходе резко возрастает ивозникает пробой перехода.
Напряжение пробоя U проб , составляет от нескольких вольт до киловольт.Происходит как в объёме p-n перехода, так и на его поверхности. Резкий рост тока связан с увеличением числаносителей в переходе. Существуют следующие виды пробоев: лавинный, тепловой и туннельный.Напряжённость электрического поля в переходе при лавинном пробой оказывается достаточной, чтобысообщить энергию неосновным носителям, входящих в переход, необходимую для ударной ионизации атомов иобразования новых носителей. Последние ускоряются полем и образуют новые электронно-дырочные пары.Лавинное умножение числа носителей в переходе характеризуется коэффициентом лавинного умноженияα = n n0 ( n0 - число поступающих в переход носителей, n – число уходящих).Коэффициент лавинного умножения носителей зависит от близости напряжения U обр .
к U проб :α=1m,(3.12) U обр 1− U проб (m =3..5 – величина постоянная для данного перехода). При U обр , близком к U проб коэффициент α резковозрастает, растёт ток через переход. Напряжение пробоя зависит от удельного сопротивление для данногополупроводникового материала (концентрации в примеси в слаболегированная базе диода).В достаточно широком p-n переходе возникает термический пробой. Механизм пробоя зависит от шириныперехода, которая определяется только степенью легирования полупроводника. В таком переходе напряжённостьэлектрического поля невелика. Ток I обр , обусловленный неосновными носителями, разогревает переход,происходит термическое возбуждение валентных электронов и перевод их в зону проводимости.
Пи этом имеетместо положительная тепловая обратная связь: разогрев → рост тока → дальнейший разогрев. Возможеннеобратимый процесс – происходит разрушение структуры. Напряжение теплового пробоя зависит оттемпературы окружающей среды и условия отвода тепла. С увеличением температуры U проб уменьшается.Для лавинного пробоя напряжение U проб увеличивается с повышением температуры, поскольку с ростомтемпературы увеличивается число столкновений носителей заряда с атомами решётки и уменьшается средняядлина свободного пробега электронов и дырок.Туннельный пробой возникает в переходах с высокой концентрацией примесей в полупроводниках.Переход узкий примерно 0,01...0,02 мкм. Из квантовой механики известно, что существует определённаявероятность прохождения заряженных частиц через потенциальный барьер без затраты энергии, если с однойстороны барьера имеются такие же свободные электрические уровни, какие частицы занимают перед барьером.Полупроводник является вырожденным.
Туннельный переход электронов из валентной зоны в зонупроводимости осуществляется непосредственно под действием поля. Вероятность такого перехода зависит отширины запретной хоны ∆ E . С увеличением температуры ∆ E уменьшается и ток, обусловленный туннельнымпереходом, носителей заряда увеличивается; при этом напряжение пробоя уменьшается.Пробивное напряжение при туннельном и лавинном пробоях зависит от удельногосопротивления базы диода. Пи большой концентрации примесей (малое удельноесопротивление) реализуется механизм туннельного пробоя, напряжение U проб достаточномалое. Для полупроводниковых структур с большим удельным сопротивлением проявляетсялавинный пробой с большими значениямиПолупроводниковый диод характеризуется двумя типами ёмкостей, которые определяютспособность полупроводниковой структуры изменять заряд при изменении напряжения.Накопление (уменьшение) заряда Q происходит в переходе и в базе диода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
