Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 18
Текст из файла (страница 18)
32 (сплошная линия). Предполагается, что переход сформирован на эпитаксиальной подложке (т. е. на и'-подложке выращен эпитаксиальный слой ~-типа толщиной К). Для заданной толщины (штриховая линия) при уменьшении концентрации примеси напряжение пробоя стремится к постоянному значению, соответствующему проколу эпитаксиального слоя.
Результаты, приведенные на рис. 26 — 32, относятся к лавинному пробою при комнатной температуре. С повышением температуры напряжение пробоя возрастает. Это можно объяснить тем, что горячие носители, проходя через обедненный слой под действием сильного поля, теряют часть своей энергии при столк- Плосакпьнва диоды ур-б 3с /Р ~ а б ~а Рис.
34. Обратная ветвь вольтампериой характеристики крсмхииевого и+ — рсдиода без микро- плазм и с охранным кольцом (Уа= = 2,5 !Оы см а1 при различных температурах, Температурный козффпциецт равен 0,024 В/'С 1421. а' О Ю Л Х 4а Оовап~ное на~ряжение, Ю ипвении с оптическими фоионами. Средняя длина свободного иробега электронов между электрон-фононными столкновениями А падает с повышением температуры (выражение (84) гл, 1).
ПоЭтому при ностояином поле носители, проходя заданное расстояние, отдают кристаллической решетке ббльшую часть энергии. Следовательно, для того чтобы носители набрали энергию, достаточную для генерации электронно-дырочных пар, требуется ббльшая разность потенциалов.
Результаты расчетов на основе модифицированной теории Бараффа 1401 (гл. 1) приведены на рис. 33, где напряжения пробоя 1~и для бе и Я нормализованы относительно значений при комнатной температуре. Из вычислений следует, что при одинаковых профилях легирования относительные изменения 1'и перехода с температурой в баАз примерно совпадают с изменениями в бе, а в баР— с изменениями в Я. Необходимо обратить внимание на существенное увеличение напряжения пробоя с повышением температуры при относительно низких концентрациях примеси (или малых градиентах концентрации) 141 ). На рис.
34 приведены экспериментальные результаты 1421, которые достаточно хорошо согласуются с теоретическими. 116 Глава 2 Рис. 36, Нормализованные Г зависимости напряги ения пробоя цилиндрвческог б и сферического переходбв 4Х ~и и ричсс- от кривизны перехода 1331 ф гийюе ход к .Р „йосси чесс 02 кйне алсос Р О,г 0 аи п,а цаФцаваюваа~ Р,г о,+абОвЮ В планарных р — и-переходах необходимо учитывать очень сильное влияние кривизны перехода. Схема планарного перехода приведена на рис, 9, б. Поскольку напряженность электрического поля на цилиндрических и/или сферических областях перехода выше, то напряжение пробоя определяется именно этими областями. Потенциал К (г) и электрическое поле Ю (г) в цилиндрическом или сферическом переходе можно найти, решая уравнение Пуассона — — [г"д'(г)] = —, 1 д „ р (г) (81) гл где а = 1 для цилиндрических переходов и п = 2 для сфериче- ских.
Решая уравнение (81), получим т Ю(г) = — „~ г"р(г) йг + — „ езг" с ° где г; — радиус кривизны металлургического перехода, а кон- станта должна быть выбрана такой, чтобы удовлетворялись усло- вия пробоя (74) илн (75). Из полученных численными методами результатов следует, что при 300 К для несимметричных резких цилиндрических пере- ходов в кремнии справедливо следующее простое аналитическое выражение (39): — "' = И у-~ ач ~ ) 1п ~~; — г,-' ) — ч я] а для сферических переходов ~Р (т)г ~ 2 14т)зР (т)з+ Зт11зlт)г/з) (84) 1~в (82) (83) где Усу и 1~зр — напряжение пробоя цилиндрического и сферического перехода соответственно, 1'н — напряжение пробоя пло- Плоскостные диоды скостногО перехода, имеющего ту же концентрацию примесей, и т1 ы г;/К .
Зависимость напряжения пробоя от Ч для цилиндрического и сферического резких переходов приведена на рис. 35, Что касается цилиндрического и сферического переходов с линейным распределением примесей, то из результатов вычислений следует сравнительно слабая зависимость напряжения пробоя от радиуса кривизны [251. 2.6. переходныв процессы и шумы 2.6,1. Переходные процессы При использовании диодов в качестве переключателей требуется, чтобы переход от прямого смещения к обратному был как можно резче, а время переключения — как можно меньше. На рис. 36, а приведена простейшая схема переключения диода.
Через переход протекает прямой ток Хк. В момент времени 1 = 0 ключ 5 мгновенно переводится в правое положение, и некоторое время через переход протекает обратный ток 1а — — ИЯ. Время переключения определяется как время, за которое ток снижается до 10 % от начального тока 1н, Как показано на рис.
36, б, оно 1п Рпо Рис, 36. Переходные процессы в р — и-переходе 1431. а простейшая схема переключения; б изменение тока при ~переключении; в . изме кение напряжения; г распределение неосновных носителей в различные моменты времени. Плоскасятмьи диоды 10' 10 10 10 !О 1О 10 Обратный тол/п~ямай тол Рис, 37. Зависимость нормализованного времени от отношения обратного тока к прямому току 1431. При переключении перехода с широкой базой (К )> Е„) от прямого тока 10 мА к обратному току 10 мА длительность фазы постоянного тока составляет 0,3тр, а длительнесть фазы спада 0,6т, Полное время переключения в данном случае равно 0,9т„. Таким образом, для быстрого переключения требуется уменьшить время жизни неосновных носителей т„.
Для его снижения вводят примеси, создающие глубокие уровни в запрещенной зоне, такие, как золото в кремнии. 2.6.2. Шумы Термин «шумь1» относится к самопроизвольным флюктуациям тока, протекающего через полупроводниковые материалы и приборы, и к флюктуациям напряжеуия на них. Поскольку приборы в основном используются для измерения малых физических величин или для усиления слабых сигналов, то спонтанные флюктуапии тока или напряжения ограничивают снизу предел измеряемых величин или усиливаемых сигналов.
Важно знать факторь~, определяющие эти пределы, чтобы целенаправленно оптимизировать условия работы приборов и искать новые способы и новые технологические методы снижения уровня шумов. Наблюдаемые шумы обычно подразделяют на тепловой шум, фликер-шум и дробовой шум. Тепловой шум имеет место в любом проводнике плп полупроводнике и обусловлен хаотическим движением носителей тока. Средний квадрат напряжения тепловых Глава 2 шумов в разомкнутой цепи (Л) определяется выражением 144, 45) ($") = 4йТВЙ, (90) (Е'„) = 2с/В1, (91) где 1 — абсолютная величина тока через переход. При низком уровне инжекции средний квадрат полного тока (без учета шума 1/1) составляет ~Д = МТВД вЂ” 2е/В1.
(92) Из формулы Шокли получим д 11 (,, ~ т 1)1 ч~. е,ц~г дУ д$~ (93) Подставляя выражение (93) в выражение (92), найдем, что в случае прямого смещения (12П) = 2у1,Ве'~" г + 2дВ1,. (94) Экспериментальные данные действительно подтверждают, что сред- ний квадрат шумового тока пропорционален току насыщения 1„ который можно изменять с помощью освещения перехода. где й — постоянная Больцмана; Т вЂ” абсолютная температура, К;  — ширина полосы пропускания, Гц; Я вЂ” действительная часть импеданса, подключенного к выходным клеммам. При комнатной температуре в полупроводниковом материале с сопротивлением 1 кОм среднеквадратичное напряжение шума, измеренное в полосе частот 1 Гц, составляет -4 нВ (1 нВ = 10' В). Фликер-шум отличается специфическим спектральным распределением, пропорциональным 1/1=, где величина а обычно близка к 1 (так называемый шум 1//) и играет важную роль на низких частотах.
Для большинства полупроводниковых приборов происхождение фликер-шума связано с поверхностными эффектами. Установлена качественная и количественная корреляции спектральной плотности шумов 1/1 с той частью потерь в импедансе структуры металл — диэлектрик — полупроводник (МДП), которая обусловлена рекомбинацией носителей на поверхностных ловушках у границы раздела. Дробовой шум является преобладающим для большинства полупроводниковых приборов.
При низких и средних частотах он не зависит от частоты, т. е. имеет «белый» спектр. Средний квадрат тока дробового шума р — а-перехода определяется вы- ражением Гудава 2 122 Выпрямители обычно обладают низкой скоростью переключения; другими словами, переключение из открытого состояния с высокой проводимостью в закрытое состояние с высоким импедансом сопровождается большой задержкой во времени. Такая задержка, пропорциональная времени жизни неосновных носителей (рис. 37), не имеет значения при выпрямлении переменного тока с частотой 60 Гц.
Для сохранения эффективного выпрямления на высоких частотах следует существенно уменынить время жизни. Большинство выпрямителей имеет мощность рассеяния 0,1 — 10 Вт, напряжение обратного пробоя 50 — 2500 В (в высоковольтных выпрямителях включают последовательно два и более р — и-перехода) и время переключения от 50 нс для маломощных диодов до -500 нс для мощных диодов. 2.7.2. Стабилитроиы Стабилитрон представляет собой плоскостной диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя.
До наступления пробоя диод имеет очень высокое сопротивление, а после пробоя — очень малое динамическое сопротивление. В результате происходит ограничение, или стабилизация напряжения на уровне напряжения пробоя. Стабилитроны в основном изготавливаются из кремния, так как кремний имеет низкий ток насыщения и технология кремния лучше разработана. Как уже говорилось в разд. 3.5, при напряжении пробоя 1'в, превышающем 6Е,/д ( 8 В для кремния), основным механизмом пробоя является лавинное умножение (температурный коэффициент положителен), При 1/„< 4Ев/д (-5 В для кремния) механизм пробоя обусловлен межзонным туннелированием (температурный коэффициент отрицателен).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
