29_kospect_electro (555831), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Соответственноразличают две составляющие ёмкости диода: С Д = С Бар + С Диф ,С Бар – барьерная ёмкость, характеризующая изменение заряда в переходе, С Диф – диффузионная ёмкость,определяется изменением заряда в базе.При обратном напряжении на переходе, переход расширяется.
Дырки в р- области и электроны в nобласти под воздействием поля уходят от границы перехода. Перемещение носителей заряда приводит кпоявлению токов в p- и n -областях. Линии тока внутри переходного слоя замыкаются через токи смещения.Переход ведёт себя как плоский конденсатор. Барьерная ёмкость сказывается в основном при обратномвключении, поскольку при этом протекают небольшие токи, вызванные неосновными носителями заряда иёмкостные токи могут их превышать.Основные характеристики барьерной емкости можно получить, исходя из модели перехода в видеплоского конденсатора. Действительно, взаимная диффузия носителей через p-n переход связана с образованиемнекоторой разности ϕ , поскольку вблизи перехода образуются ионы доноров и акцепторов, связанных срешёткой.
Величину барьерной емкости можно представить в виде:С Бар =d QБарdU=εε 0 S ПXП.(3.13)из которого следует, что барьерная емкость зависит от приложенного напряжения, поскольку при этомизменяется толщина перехода. Учитывая зависимость толщины обедненного слоя в переходе от параметровструктуры и напряжения, представимXП =C Бар =2ε ε 0 ( N A + N D )(ϕ 0 − U ) ,q NA ND(3.14)qεп ε0 N A NDS П Ф/м2.2( N A + N D ) (ϕ 0 −U )(3.15)Величина барьерной емкости зависит от концентрации примесей пропорционально площади переходаS П . Это нелинейная ёмкость С Бар (U ) и зависит от выбранной точке на вольтамперной характеристике.
Удобнопредставить зависимость С Бар (U ) в виде:С Бар = С Бар 0ϕ0ϕ 0 +U,(3.16)где С Бар 0 - барьерная емкость в равновесном состоянии перехода при величине контактной разности потенциаловϕ0 .Для характеристики численных значений барьерной ёмкости и толщины обедненного слоя рассмотрим вкачестве примера переход со следующими параметрами структуры N А = 4 ×10ϕ 0 = 0,5 В,21м-3, N D = 2 × 10 21 м-3,U = − 20 В, площадь перехода 10 −6 м2. Расчет по формулам (2.1) и (2.2) определяет значенияC Бар = 27,2 пФ и X П = 5,2 ×10 −6 м.При анализе условий формирования диффузионной емкости рассмотрим накопление неравновесногозаряда в базе (слаболегированной области) в несимметричном p+-n переходе при его прямом смещении (см. рис.3.2).Величины∆Q p =Q p 2 − Q p1 = С Диф ∆U Пр иС Диф =∆Q p∆U Пр(3.17)характеризуют накопление неравновесных зарядов в базе и диффузионную емкость диода.При увеличении напряжения на переходе увеличивается взаимная диффузия основных носителей черезпереход.
Одновременно с инжекцией дырок с эмиттерного перехода происходит поступление электронов свывода базы, обеспечивающее нейтральность области базы, в которую инжектированы дырки. Образующийсяпри этом ток аналогичен емкостному току. Инжектированные носители существуют в областях диода,примыкающих к p+-n -переходу.
При изменении напряжения часть накопленных неосновных носителей можетвозвращаться в p+-n -переход и пройти через него в соседнюю область. Величина неравновесного заряда,накопленного в базе, зависит от протекающего тока через переход I П , толщины базы WБ и коэффициента D p ,при этомС Диф = I Пq W Б2.kT D p(3.18)Вследствие процесса рекомбинации накопление заряда в базе уменьшается, уменьшается диффузионная емкость,оценку которой можно производить с учетом времени жизни дырок в базе τ p :С Диф = I Пqτp.kT(3.19)Таким образом, в полупроводниковом диоде существует два типа емкостей – барьерная и диффузионная.Соотношение обеих емкостей различно при различной полярности включения напряжения: при прямомвключении проявляется диффузионная емкость, при обратном включении (заряды в базе мало изменяются)преобладает барьерная ёмкость.Лекция 4. Физические процессы в электронно-дырочных переходах (продолжение)Вольтамперная характеристика p-n –перехода при туннельном эффекте. Понятие отрицательнойдифференциальной проводимости перехода.
Применение туннельных диодов. Лавинное умножениеносителей заряда в обратно смещенном переходе. Структура и условия генерации колебаний влавинно-пролетном диоде.I. Рассмотрим особенности прохождения тока через узкие p-n – переходы, образованные областями свысокой (порядка 1019 -1020 см-3) концентрацией примесей. Это вырожденные полупроводники. Толщинаобедненного слоя в таких переходах составляет ≤ 0,01 – 0,02 мкм.
Отметим высокую напряженностьэлектрического поля в переходе. Полупроводник в этих условиях вырождается в полуметалл, уровень Фермирасполагается как и в металлах, в разрешенных зонах: в зоне проводимости n- слоя и в валентной зоне p- слоя.Сквозь потенциальный барьер такого перехода возможно прохождение электронов без изменение энергии. Этотуннельный эффект, который ранее уже рассматривался при изучении механизмов пробоя p-n –переходов.
Наоснове механизма туннельного перехода носителей заряда основано действие туннельного диод. В таком диоденапряжение пробоя снижается до нуля и на обратной ветви отсутствует участок с малым обратным током.Туннельный эффект проявляется при малом напряжении и вольтамперная характеристика переходахарактеризуется наличием участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, когда протекающийчерез переход ток уменьшается с ростом напряжения.Напомним, в чем состоит туннельный эффект. Из квантовой механики известно, что существуетопределенная вероятность прохождения заряженных частиц, из-за их волновых свойств, сквозь потенциальныйбарьер, без затрат энергии, если с другой стороны барьера имеются такие же свободный энергетические уровни,какие частицы занимают перед барьером. Вероятность туннельного перехода носителей заряда тем выше, чемуже потенциальный барьер.Рассмотрим, как туннельный эффектпроявляется в вольтамперной характеристикеперехода (см.
рис. 4.1). Туннельный эффектзависит от перекрытия валентной зоны p-области изоны проводи n-области,а это зависит отприложенногонапряжения.Вотсутствиивнешнего напряжения возможно прохождениеэлектронов из n-области в p-область и обратно,однако потоки носителей заряда одинаковы и токчерез переход отсутствует. При малых прямыхсмещениях перехода свободные энергетическиеуровни p-области, расположенные над уровнемФерми, оказываются на одной высоте с уровнямизоны проводимости n-области, которые, которыезаняты электронами.Поэтому преобладаеттуннельный переход электронов из n-области в pобласть (против заполненных энергетическихуровней n-области оказываются незаполненныеизоэнергетические уровни p-области).
Присовмещении изоэнергетических уровней зон,заполненных и не заполненных, начинаетсятуннельный переход основных носителей.С ростом напряжения до U П перекрытие таких уровней увеличивается и ток через переход растет (см.рис. 4.2). При дальнейшем увеличении прямого смещения число электронов, туннелированных в p-область,начинает уменьшаться поскольку уменьшается перекрытие зоны проводимости n полупроводника и валентнойзоны p полупроводника.
Ток через переход уменьшается. При напряжении U В перекрытия зон нет и ток I Вчерез переход в этом режиме обусловлен только диффузией носителей заряда через потенциальный барьер. Приэтом против заполненных уровней зоны n оказываются уровни запрещенной зоны области p и энергетическаядиаграмма оказывается подобной диаграмме обычного p-n -перехода. При увеличении прямого смещения, токснова возрастает.Области прямых напряжений, где наблюдается падающий участок вольтамперной характеристики, близкапо значениям контактной разносит потенциалов и составляет 0,05-0,43 для Ge и 0,1-0,7 В для GaAs.
Время длятуннельного перехода составляет 10-13 - 10-14 с, вследствие этого вольтамперная характеристика с падающимучастком при подаче на диод переменного напряжения сохраняется вплоть до частот миллиметрового диапазона.Протекание тока на участке U П …. U В связано с движениемосновных носителей заряда, поэтому эффект накоплениянеосновных носителей заряда не сказывается.Туннельные диоды используются на СВЧ в качествеусилителей и генераторов электрических колебаний.
Отношениепикового тока к току впадины I П I В характеризуетусилительные свойства туннельного диода и амплитудуустановившихся СВЧ колебаний. Величина отрицательногодифференциального сопротивления на падающем участкевольтампернойхарактеристикиопределяетусловиевозбуждения колебаний (компенсации потерь в колебательнойцепи генератора).II. Явление лавинного пробоя в обратно смещенном p-n– переходе и последующего дрейфа носителей заряда вполупроводнике используется для генерации СВЧ колебаний.На этом принципе действуют лавинно-пролетные диоды сразличными видами структуры полупроводниковых областей.
Впростейшем виде это обратно смещенный p+-n – переход,рабочая точка в котором выбрана в начале роста обратного токапробоя при напряженности поля в переходе E ≥ E Проб (см. рис.4.3 и рис.4.4).Электронно-дырочные пары генерируются в узкойобласти перехода, где напряженность электрического полядостаточна для ударной ионизации.
Для полученияотрицательногодифференциальногосопротивленияиспользуется явление ударной ионизации в p+-n - переходе ипролетные эффекты. В режиме генерации колебаний в лавиннопролетном диоде (ЛПД) переход может работать при условии,когда на него подано обратное смещение, достаточное дляразвития лавинного пробоя и что он помещен в СВЧ резонатор.При подаче на диод, находящийся в режиме лавинного пробоя,приращения напряжения имеет приращение тока, котороесдвинуто по фазе относительно напряжения. Это определяетсятем, что количество носителей возрастает после подачинапряжения с некоторой постоянной времени.
Внешнийнаведенный в цепи диода ток еще более запаздывает из-завремени пролета, в течение которого носители собираются наэлектродах. Когда полное приращение тока превосходитчетверть периода, синфазная компонента тока становитсяотрицательной и возникает отрицательная дифференциальная проводимость перехода. ЛПД при включении всоответствующую схему (СВЧ резонатор) начинает работать как автогенератор.Обычно в ЛПД вводится слой умножения, примыкающий к области дрейфа, в которой электрическоеполе достаточно мало, так что носители дрейфуют в нем без лавинного умножения. Существуют структуры р+-ni-n+ ; n+-p-i-p+ .Из малосигнальной теории следует, что отрицательным дифференциальным сопротивлением,могут обладать плоскостные p-n переходы типа ЛПД с любым профилем распределения примеси.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
