Гусев - Электроника (944138), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Эти носители заряда собственной электропроводности, имеющие энергию теплового происхождения. генерируются в объеме полупроводника и, диффундируя к электрическому переходу, захватываются электрическим полем. Они перебрасываются в область с противоположной электропроводностью. Переход неосновных носителей приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе. Как следствие. имеет место дополнительный диффузионный переход основных носителей, в результате чего электрическое поле принимает исходное значение.
При равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда и соответственно токов наступает динамическое равновесие. Таким образом, через р-п-переход в равновсснои состолнии (без приложения внешнего потенциала) двиэкутся два встречно направленных потока зарядов, cаходлщихся в динамичвско.и равновесии и взаи.ино компенсиручои1их друг дргга. Суммарная плотность тока, опрелеляемая выражением (2.13), будет равна нулю. Ионы в р-и-переходе создают разность потенциалов (/„. которую называют потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов.
Производная от нее. взятая по геометрической координате„дает значения напряженности электрического поля в переходе Е = д (I „/ с.х. Значение контактной разности потенциалов определяется положениями уровней Ферми в областях п и р: ()„=дг — дк; в первом приближении лля рассмотренного полупровод1зика ее находят из выражения ~/„= <р,!и (п„р„~ п~), где и„, р„- концентрация основных носителей заряда в равно сы новесном состоянии в областях п и р. Учитывая, что в равновесном полупроводнике при данной температуре и,'=и р =р и, выражение для контактной во "о "о "о' разности потенциалов можно записать в виде Е/„=(р,!п(п„,'и, ) (р, 1п(Х,Ч,,'па). (2.15) Так, если у германия Х.=10 см '; %,,=10'в см Т=ЗОО К; п,=255 1О" смз. то (7„-0,3 В.
Значение контактной разности потенциалов у германиевых полупроводниковых приборов при комнатной температуре не превышает 0,4 В; в кремниевых приборах (7„. может достигать 0,7 - .0,8 В. 3 заказ за !Овв Ширину несимметричного ступенчатого р-и- перехода можно определить из выражения )Зегго1)„(гг.
'~'„) )еввв1)„ аж,х„х) ах„ где е - - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; с„диэлектрическая постоянная воздуха. р-и-переход смещен в прямом направлении, если к нему приложить напряжение Г плюсом к р-области, а минусом- к и-обггасти. то это напряжение почти полностью будет падать на р-л-переходе, сопрогивление которого во много раз выше сопротивлений областей р и л. В р-гг-переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле, уменьшающее его внутреннее поле. Потенциальный барьер уменьшится и станет равным б'1=- 1/н — 1/.
Соответственно уменьшится ширина г е„(гг„— и) р-и-перехода / -"-"---"----- (рис, 2.8, а, б) и его сопротивление. а) гн, В цепи по гечет электрический ток. Однако до тех пор, пока ~ ~~„~ >~ Г), обедненный носителями заряда р-л-переход имеет высокое сопротивление и ток имеет малое значение. этот ток вызван дополнительным диффузионным движением носигелей заряда, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера. При ) Г/„) =) ~/ ~ толщина р-и-перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении напряжения Ь' переход как область, обедненная носителями заряда, исчезает вообще.
В результате компенсации внешним напряжением потенциаль- ного барьера электроны , о, о,э, , 'и дырки, являющиеся основ- ° ' о % о 1 о о о ными носителями заряда в /г ~ Ширина р-и-пе- бодно диффундировать в оба) ~ ' ~ 1 ~Рееада даадна- лас1и с противоположным ти~деенан еагтаении пом электро проводности. Следовательно существовавший в равновесном состоянии баланс токов диффузии и дрейфа нарушается и вслелствие снижения потенциального барьера диффузия основных носителей заряда увеличивается. Через переход потечет гок, который б) называется п р я м ы м. Введение ) «наг нетаниея) С' р-" ' тра р " "'"""" '"' носителей заряда через элек- нгенио~о в примоя направиенин аг): рвепренеиение по~енпиана в г-и-пере- '1рОННО-дмрОЧНЫЙ ПЕрЕХОд инге го) в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счеэ снижения потенциального барьера называется инжекцией. Если р-п-переход является несимметричным и концентрация дырок в р-области во много раз выше концентрации элек.тронов в и-области.
диффузионный поток дырок будет во много раз превышать соответствуюший поток электронов и последним можно пренебречь. В этом случае имеет место одиосторони я я инжекция носителей заряда. В несимметричном р-и-переходе концентрации основных носителей различаются на несколько порячков (!О'- 104). Поэтому концентрация инжектируемых неосновных носителей гораздо болыпе в высокоомном слое, чем в низкоомном, т.
е, инжекция имеет односторонний характер. Неосновные носители заряда инжектируются в основном из низкоомного слоя в высокоомный. Инжектирующпй слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером; слой, в который инжектируются не основные для него носители. базой. В резулыате инжекции в р- и и-областях на 1раницах перехода окажутся дополнительные носители заряда, не основные для данной области. Вблизи р-п-перехода концентрации дырок в области и и электронов в области р отличаются от равновесной: р =р с ''г', п =п е (2.16) й йя "о Из (2.16) следуе~, что концентрация неосновных носителей заряда на границе р-и-перехода увеличивается по экспоненциалыюму закону в зависимости от напряжения, приложенного к нему. Дополнительные неосновные носители заряда в течение времени (3 —.5)т, компенсируются основными носителями заряда, которые приходят из объема полупроводника.
В результате на ~ ранице р-и-перехода появляется заряд. созданный основными носителями заряда, и выполняется условие (зп„ Лр„; Лр, ~(п„. Электронейтральность полупроводника восстанавливается. Такое перераспределение основных носителей заряда приводит к появлению электрического тока во внешней цепи. так как по ней поступают носители заряда взамен ушедших к р-и-переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Неосновные носители заряда, оказавшиеся вследствие инжекции на границе р-п-перехола, перемешаются внутрь области с прот ивоположным типом электропроводност и.
Причиной этого является диффузия и лрейф. Если напряженность электрическог'о поля в полупроводнике невелика, основной причиной движения является ~ радиент концентрации. Под ег о влиянием неосновные носители заряда (в рассматриваемом случае - дырки) движутся внугрь полупроводника„а основные (электроны) в сторону инжекгируюшей поверхности, где идет интенсивная рекомбинация. При диффузии неосновных носителей заряда внугрь полупроводника концентрация их непрерывно убывает из-за рекомбинаций. Если размеры р- и л-областей превышают диффузионные длины 1.~, Е„(массивный полупроводник)„то концентрации неосновных носителей заряда при удалении от перехода определяются из выражений р(х).=р„+Лр„е " ~; п(г)=п„+Лп е ' ~; (2,17) здесь х .
расстояние от точки, где избыточная концентрация равна Лр„ или Лл . Таким образом, если в массивном полупроводнике в какойто точке концентрация неосновных носителей заряда равна Лр, то па расстоянии х в глубине полупроводника она уменьшае.гся в е " раз. На расстоянии х (3+5)2, концентрация неосновных носителей заряда стремится к л„и и, . Следовательно, вблизи го р-и-перехода ток в системе обусловлен в основном диффузионным движением инжектированных носизелей заряда.
Вдали от р-я-перехода. где диффузионная составляющая тока стремится к нулю, последний имеет дрейфовый характер и основные носители заряда движутся в электрическом поле, созданном внешним напряжением на участке р- и л-областей, имеюгцих омическое сопротивление. Если толщины И' областей л и р достаточно малы, так что выполняется условие И'„<1. и И'„<Р.„, можно считать, что концентрация неосновных носителей заряда внутри полупроводника изменяется по закону. близкому к линейному: р(х)=р„+Лр„(1 — х,'И'„); л(х)=п, +Ля (1 — х,' И' ).
(2.18) В установившемся режиме избьпочные неосновные носители заряда, накопленные в области с противоположным типом электропроволности, несут заряд Д, значение которого пропорционально из концентрации, а следовательно, току через систему и постоянной времени жизни неосновных носителей заряда т: Д=1т.
Поэтому любое изменение тока сопровождается изменением заряда, накопленного с обеих сгорон р-и-перехода. При односторонней инжекции заряд в основном накапливается в высокоомной базе. В равновесном состоянии через р-п-переход протекает ток, имеющий две составляющие. Одна обусловлена лиффузией основных носи~елей заряда в область, где они являются неосновными, другая - дрейфом неосновных носителей заряда теплового происхождения.
При приложении к р-и-переходу прямого напряжения это равновесие нарушается. Ток диффузии основных носителей заряда й за счет снижения потенциального барьера увеличивается в еп'ег раз и является функцией приложенного напряжения: Г, =1те (! ток, протекающий в одном направлении через р-»- переход, находящийся в равновесном состоянии). Другая составляющая тока при приложении внешнего напряжения остается практически без изменения. Это обусловлено тем, что создающие ток электроны и дырки генерируют'ся вблизи р-и-перехода на расстоянии, меньшем диффузионной длины 2.. Те заряды, которые рождаются на большом расстоянии, в основном рекомбинируют не дойдя до перехода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
