Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Он притоден, также для моду- Глава 3 128 гв 4т сЗ и Р Р 15' ХР 7У Ц~,В и ч 41 Р ю Л7Р Ю-~м ' Е Рис. 41. Зависимость барьерной емкости и последовательного сопротивления от обратного напряжения (а) и зависимость последовательного сопротивления от прямого тока (б) 1521. ляции на частотах вплоть до гигагерцового диапазона. Следует отметить, что прямые характеристики тиристора (гл. 4) в включен ном состоянии очень похожи на характеристики р — 1 — и-диода. На рис. 32 приведены значения напряжения пробоя р — г' — п-диода при обратных смещениях. Поскольку максимальное поле д' в 81 с низкой концентрацией примеси составляет 2,5 10' В/см, то напряжение пробоя Ув = сГт%' = 25% 1В1 где %' — ширина обедненного слоя, мкм. Результаты измерений емкости и последовательного сопротивления обратносмещенного р — ~ — и-диода, предназначенного для переключения малых мощностей, представлены на рис. 41 152).
Отметим, что емкость достигает величины, равной е,АМ (А — площадь перехода) уже при смещении 5 В, которое намного ниже напряжения пробоя, состайляющего 75 В. При обратном смещении выше 10 В Плоскостные диады емкость дополнительно уменьшается только на 3 %. Последовательное сопротивление Я, содержит две составляющие; й,= й~+й„ (107) дде Я; — сопротивление 1-области и Я, — сопротивление контакта.
С увеличением обратного смещения Я; приближается к нулевому значению и последовательное сопротивление быстро уменьшается до значения, соответствующего контактному сопро- тивлениЮ. В случае прямого смещения р' — ~-контакт инжектирует дырки, а ~ — п+-контакт инжектирует электроны. Вначале рассмотрим протекание тока, вызванного электронно-дырочной рекомбинацией в 1-области. Плотность тока определяется соотношением 138, 53) У= 1ЧЦ 1х, (108) В 2В„ 1+Ь Подставляя выражение (111) в выражение (110), имеем (Ь+ 11 ЬТ 2Ь 00 и'д".
(1 1 1) (112) Напряжение $'; на ~-области определяется выражением Р» —— Р'К. (113) о где У вЂ” скорость рекомбинации, равная и (х)/т. Пусть концентрация электронов, инжектированных в ~-область, равна и', тогда ди'У (109) где т„— амбиполярное время жизни. Если предположить, что концентрация носителей в 1-области примерно постоянна, то диффузионным током можно пренебречь. Поскольку концентрация инжектированных носителей намного выше концентрации примеси в.~-области, то р — 1 — п-диод обычно работает в условиях высокого уровня инжекции, т. е.
и' = р' '3 и;, где р'— средняя концентрация дырок, инжектированных в ~-область, В такоо. лучае полный дрейфовый ток записывается в виде 1 = дроП'Г'+ ург,р'В' = О(ц„+ р„) И'Г' = = + (1 -';- — ) да„и'Е', (110) где Ь: — р,„lр, и Е' — среднее электрическое поле в ~-области. Коэффициент амбиполярной диффузии в соответствии с выражением (36) равен Глава л Рис.
42. Зависимость падения иа пряжеиия иа аиутреиией области р — ~ — и-диода от У/Е„ 1391. 1',з выражения (109) с учетом соотношения (113) и того, что !. ( =- 1'0„с„) — длина амбиполярной диффузии, имеем (114) Гля кремния Ь = 3 и (115) Сопротивление тт; вычисляется по формуле (116) На рис. 41, б в качестве примера показано поведение последовательного сопротивления при прямом смещении. Отметим, что оно изменяется. обратно пропорционально 1„ и когда 1/1р -э О, то Й, асимптотически стремится к величине контактного сопротивления Й„. Более точно величину $'; можно получить, решая уравнение (35) с соответствующими граничными условиями (рис. 42). Следует отметить, что при %'/Е,.
~ 2 напряжение У; достаточно точно определяется выражением (115). Однако при И...> 2 вели- Плоскасеи«иа диоды чина У; начинает расти быстрее и в первом приближении удовлетворяет, соотношению — ехр ЗиаТ Ф Таким образом, условие %'= 2Ь„определяет границу между «коротким» и «длиннымь р — ~ — п-диодами. Для коротких структур (К ~ 2Е,) градиент концентрации носителей по ~-области слабо влияет на величину напряжения (при комнатной температуре отклонение не превышает 0,05 В) и им:можно пренебречь.
Однако для протяженных структур падение напряжения на ~-об. ласти оказывается гораздо выше. При проектировании прибора выбор толщины т-области определяется допустимым напряжением пробоя. Для сохранения работоспособности коротких структур величина Е, должна выбираться большой. В условиях высокого уровня инжекции коэффициент амбиполярной диффузии О„уменьшается с ростом концентрации инжектированных носителей за счет эффектов взаимного рассеяния носителей.
Время жизни неосновных носителей будет также снижаться из-за процессов оже-рекомбинации при высокой концентрации носителей. Следовательно, при повышении плотности тока Е, будет уменьшаться, что приведет к увеличению отношения ФЛ.„.
На рис. 43 представлены результаты вычислений [54) характеристик высоковольтных приборов с В' = 600 мкм и т„= = 30 мкс. Кривая а учитывает только рекомбинацию в ~-области ~з да Рис. 43. Прямые вольт-ампермые характеристики (541. Глава 2 кривая б — влияние взаимного рассеяния носителей и кривая 8 — оже-рекомбинацию. При учете дополнительных факторов проявляется неуклонное ухудшение характеристик прибора. Очевидно, что оже-рекомбинация и взаимное рассеяние носителей устанавливают предел работоспособности прибора. 2.8. ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ Гетеропереходом называется переход, образованный между двумя различными полупроводниками.
Если полупроводники имеют одинаковый тип проводимости, то они образуют изотипный гетеропереход. Если тип их проводимости различен, то получается анизотипный гетеропереход. В 1951 г. Шокли предложил использовать резкий гетеропереход в качестве эффективного эмиттера в'биполярном транзисторе 155]. В том же году были опубликованы теоретические работы Губанова по гетеропереходам [56 1. Позже Кремер проанализировал аналогичный плавный гетеро- переход в качестве эмиттера с широкой запрещенной зоной 157 1.
В дальнейшем продолжалось интенсивное изучение гетеропереходов, которые нашли широкое применение в качестве инжекционных лазеров, работающих при комнатной температуре, светодиодов, фотодетекторов и элементов солнечных батарей, Кроме того, на основе многослойной периодической структуры из гетеро- переходов с толщиной слоев -100 А созданы так называемые сверхрешетки.
Гетеропереходы рассмотрены в работах 158, 59, 1! 1. 2.8.1. Принцип действия Модель зонной структуры идеального резкого гетероперехода без ловушек на границе раздела была предложена Андерсоном !б01, который использовал результаты работы Шокли. Рассмотрим эту модель, так как она позволяет хорошо объяснить большинство процессов переноса носителей в гетеропереходах, а при небольших уточнениях пригодна и для описания неидеальных случаев. На рис. 44 приведена зонная диаграмма двух изолированных полупроводников. Предполагается, что последние различаются шириной запрещенной зоны, диэлектрическими проницаемостями а, работой выхода гр и сродством к электрону 1~, Работа выхода и сродство к электрону определяются как энергия, необходимая для удаления электрона с уровня Ферми Е~ и со дна зоны проводимости Ес в вакуум соответственно.
Различие в положении дна зоны проводимости полупроводников обозначено ЛЕс, а различие в положении потолка валентной зоны ЛЕ~. На рис. 44, а показан случай, когда ЛЕа = (Х1 — т,). Соотношение ЛЕс = Лт может оказаться невыполненным. Однако если Плоскостные диоды 133 р ассматривать ЛЕо как эмпирическую величину, то модель Андерсона не потребует изменений 160а ). 3онная диаграмма анизотипного р — п-гетероперехода в равнновесии, образованного такими полупроводниками, приведена на рис.
44, б. Положение уровня Ферми в равновесном состоянии должно быть одинаково по обе стороны перехода, а уровень энергии, соответствующий вакууму, должен быть параллелен краям зон и непрерывен. Поэтому разрыв в положении краев зоны проводимости (ЛЕо) и краев валентной зоны (ЛЕ1) не связан с уровнем легирования, если, конечно, сами величины Ег и )( не зависят от концентрации примеси (т. е. в случае невырожденных полупроводников). Полный контактный потенциал $'ь1 равен сумме потенциалов Ъ'ьт + 1/ыь где Ъ/ьт и 1/ь, — электростатические потенциалы равновесного состояния первого и второго полупроводников соответственно. Ширину обедненного слоя в каждом полупроводнике и барьерную емкость можно найти, решив уравнение Пуассона для резкого перехода с каждой стороны границы раздела.
Одним из граничных условий является непрерывность электрической индукции на границе раздела, т, е, е,Е, = е,Е,. В результате имеем 2МАае1га (г'ь1 )') 11/2 118) Ц/1/р1 (етМр~ + еаХАа) ( 2 Мр1е,еа (~'Ь; — К) 11/2 яЛ Ла (е1й/р1 + еа'/Аа) (119) Ч~рЛАае еа 2 (е1Л'р, + еаМАа ( г Ь1 — ") (120) Бродень //акума Уоойнь Ажууыт Есг х, Есг 9-Ест 4 Ег/ Ег Е Есг Е п 1 ы;~-х' 1 Хо а Е Рис. 44.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
