L06_09_2002 (722012), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

В тех случаях, когда требуется точный анализ процессов решается нестационарное уравнение непрерывности, как правило, с использованием численных методов.

Рассмотрим явления, происходящие в pn переходе и прилегающих к нему областях в различные моменты времени переходного процесса (рис. 2.20) на основе рассмотренной нами ранее диффузионной модели инжекции. Согласно этой модели между напряжением на pn переходе и концентрация носителей на его границах имеется однозначная связь см. (2.13):

(2.98)

Откуда для напряжения на переходе получим:

(2.99)

Учитывая, что токи на границе ОПЗ преимущественно диффузионные получим уравнение для полного тока и уравнения для граничных значений производных:

(2.100)

Уравнения (2.98) - (2.100) позволяют не только прогнозировать направление развития электронных процессов в биполярных приборах, но и выполнять простейшие оценки.

Рассмотрим как изменяется концентрация дырок в n области в различные моменты включения (в p области процессы будут аналогичны с точностью до знака носителей заряда).

В момент времени 0 до подачи импульса тока напряжение на переход U = 0 и ток через переход Jp = 0, в соответствии с уравнением (2.98) граничная концентрация n_p(0) = n_p0 и в соответствии с (2.100) ∂p_n(0)/ ∂x = 0, т.е. распределение носителей в этот момент такое как показано на рис. 2.21 (кривая 0).

Рис. 2.22. Распределение инжектированных носителей заряда в различные моменты времени (см. рис. 32) при включении диода.

В следующий момент времени (1) через pn переход начал протекать ток от внешнего генератора. Поскольку носители в глубь p области распространяются диффузионно, то в первый момент времени инжектированные носители находятся вблизи границы через которую они были инжектированы (кривая 1). При этом ∂p_n(0)/ ∂x = J_p(0) и в дальнейшем, пока ток через переход J_p(0) остается постоянным градиент концентрации на границе так же остается постоянным (кривые 1, 2, 3, 4 на рис. 33). По мере инжекции носителей заряда граничная концентрация носителей будет возрастать, это приведет к росту положительного напряжения на переходе см. (76), при этом будет возрастать и напряжение на переходе (моменты 1, 2, 3 на рис. 32) до тех пор пока не установится стационарное распределение инжектированных носителей p_n(x) = p_n(0)e^-x/Lp (кривая 4 на рис 33 и соответствующий момент 4 на рис. 2.22). Установление стационарного распределения инжектированных носителей соответствует окончанию переходного процесса и переходу диода во включенное состояние.

Скорость выключения pn перехода определяется скоростью рекомбинации носителей заряда после прекращения инжекции. Чем меньше время жизни, тем быстрее происходит спад "послеинжекционной эдс" (напряжение на pn переходе после прекращения импульса тока):

Переход диода в выключенное состояние.

Момент прекращения импульса тока не означат выключения диода. Даже после прекращения тока (например при разрыве цепи) диод в течение некоторого времени остается во включенном состоянии: его сопротивление будет низким и на нем будет сохраняться положительное напряжение (моменты 5, 6 на рис. 2.20). Объясняется это тем, что после прекращения тока инжектированные носители в течении некоторого времени будут находиться вблизи pn перехода и до тех пор, пока они не исчезнут за счет рекомбинации высота барьера будет понижена и pn переход будет смещен в положительном направлении см. формулу (2.98). Смещение будет уменьшаться по мере снижения граничной концентрации носителей заряда (рис 2.23). Кривая 4 на рис. 2.23 соответствует току, протекающему через диод в прямом направлении, кривые 3, 4 соответствуют моментам перехода из включенного в выключенное состояние, причем поскольку ток через барьер отсутствует градиент на границе равен нулю. Только после того как граничная концентрация достигнет равновесного значения p_n0 напряжение на переходе станет равным нулю. Можно считать, что диод полностью перешел в выключенное состояние только после того как в p и n областях исчезнут инжектированные носители и установятся равновесные концентрации n_p0 и p_no соответственно.

Рис. 2.23. Распределение инжектированных носителей заряда в различные моменты времени (см. рис. 32) при выключении диода.

Переключение из прямого направления в обратное

Рассмотрим случай, когда происходит переключение диода из прямого направления в обратное (рис. 2.24), при этом обратное напряжение может превышать прямое в сотни раз.

На рис. 2.25 показано распределение носителей в n базе диода в различные моменты времени. Кривая 0 соответствует исходному стационарному распределению носителей заряда, когда диод находится в стационарном состоянии, соответствующим прямому включению. Кривая 6 соответствует конечному стационарному распределению носителей заряда, когда диод включен в обратном направлении. Переходные процессы должны обеспечить изменение распределения носителей от начального (0) к конечному (6).

Рис. 2.24. Форма сигналов, характеризующих переходные процессы в диоде при переключении его из прямого направления в обратное: а) Напряжение, от импульсного генератора, б) напряжение на pn переходе, в) ток через диод

После мгновенного изменения полярности напряжения на диоде, поступление дырок из p области прекращается и на границе с областью пространственного заряда возникает ступенчатое распределение инжектированных дырок с градиентом направленным в обратную сторону - пунктирная линия на рис. 2.25 Такому ступенчатому градиенту должен соответствовать бесконечный разрядный ток, направленный в обратном направлении. Поскольку любая реальная электрическая цепь обладает конечным сопротивлением R, то максимально возможный ток в цепи будет Im = U/R, где U - напряжение, приложенное в обратном направлении. Току Im соответствует некоторый градиент концентрации на границе барьера (на рис. 36 он обозначен тонкой линией), этот градиент будет сохраняться в процессе разряда до тех пор пока концентрация инжектированных при прямом включении носителей будет достаточной для его поддержания (кривые 1, 2, 3 на рис. 2.25 и соответствующие им моменты времени на рис. 2.24). Так возникает полочка на кривой разрядного тока, характеризующего рассасывание инжектированных носителей заряда. Со временем градиент концентрации на границе уменьшается, что приводит к окончанию полочки в разрядном токе и началу его спада. По мере рассасывания и рекомбинации носителей заряда их концентрация на границе уменьшается и соответственно уменьшается прямое смещение перехода см. (2.13). В момент, когда концентрация неосновных носителей заряда на границе достигает равновесной, напряжение на pn переходе становится равным нулю.

Рис. 2.25. Изменение концентрации инжектированных носителей в различные моменты времени( см. рис. 35) при переключении диода из прямого направления в обратное

После того как p_n(0) становится меньше p_n0 напряжение на переходе изменяет знак и распределение носителей заряда в приконтактной области быстро достигает соответствующего обратно включенному переходу.

2.6. Пробой pn перехода

При увеличении напряжения на pn переходе при достижении некоторого напряжения U проб начинается резкое возрастание тока, приводящее к пробою pn перехода. Существует несколько физических механизмов пробоя pn перехода. Рассмотрим основные из них.

Лавинный пробой

В высоком электрическом поле неосновные носитель заряда на длине свободного пробега может набрать энергию достаточную для того, чтобы при соударении с решеткой создавать электронно-дырочную пару. Вновь образованные носители разгоняясь в электрическом поле сами принимают участке в дальнейшем образовании электронно-дырочных пар. Процесс нарастания числа носителей со временем носит лавинный характер, поэтому этот тип пробоя и называют лавинным.

Лавинный пробой характеризуют коэффициентом лавинного умножения, для которого справедливо следующее соотношение:

(2.101)

где J - обратный ток до умножения (равный сумме тока насыщения и генерационного), n - коэффициент, который зависит от материала и профиля легирования pn перехода, этот коэффициент может иметь значения от 2 до 6

Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования p и n областей. Так для резкого p⁺n перехода (p⁺ - означает сильное легирование p области) зависимость напряжения пробоя от степени легирования n области имеет вид:

(2.102)

где Eg - ширина запрещенной зоны в эВ, N - концентрация примеси в слаболегированной области в см^-3.

Соответствующая зависимость напряжения от степени легирования для резкого несимметричного перехода для pn переходов, изготовленных из разных материалов, показана на рис. 2.26.

Р
ис. 2.26. Зависимость напряжения лавинного пробоя от концентрации примеси для несимметричного ступенчатого перехода.

Туннельный пробой

Если p и n области сильно легированы, то ширина ОПЗ становится малой и за счет туннельного эффекта появляется конечная вероятность для электронов из валентной зоны проникнуть в зону проводимости, преодолев барьер, который возникает в сильном электрическом поле. Для туннельного эффекта характерно то, что электроны после преодоления энергии не изменяют своей энергии, следовательно для того, чтобы этот эффект имел место электрическое поле должно быть настолько сильным, чтобы обеспечить такой наклон зон при котором заполненные электронами уровни валентной зоны оказались напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны рис. 2.27. Пунктиром на рисунке показан потенциальный барьер, который должен преодолеть один из электронов.

Поскольку туннельный механизм перехода носителей имеет место только при малой ширине ОПЗ, то для этого типа пробоя характерны невысокие пробивные напряжения. К отличительным особенностям туннельного пробоя следует так же отнести сравнительно слабую зависимость от температуры напряжения пробоя.

Рис. 2.27. Энергетическая диаграмма, поясняющая возникновение свободных носителей заряда при туннельном переходе.

Характеристики

Список файлов реферата