Лекции9 (Лекции - Физические основы электронных приборов)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАДисциплина:Физические основы электронных приборовМихайлов Валерий ПавловичЛекция № 12Идеальный p-n – переходЭлектронно-дырочный переход или p-n - переход – этопереход между двумя областями полупроводника, одна из которыхимеет электропроводность p- типа, а другая - n-типа.Предположим, что p-n - переход образован в кристаллеполупроводника, одна часть которого легирована акцепторнымипримесями (p-область), а другая донорными (n-область),причем концентрации примесей равны: NA=ND. При этом pобластьхарактеризуетсяравновеснымиконцентрациямиосновных носителей заряда pP и неосновных носителей nP.Соответственно в n-области существуют основные носители nn инеосновные носители pn.

При этом pp>>np и nn>>pn, а также pp=nnи np=pn. Такой p-n - переход называют симметричным.Зонные диаграммы полупроводников до контактаБудем считать p-n - переход идеально резким и примемграницу за начало отсчета координаты X. Поскольку pp>>pn иnn>>np по обе стороны границы, то градиенты концентрацийотличны от 0:dpdx0иdndx 0 . В результате возникаетдиффузионное движение частиц: дырки движутся из p-областив n-область, а электроны – в обратном направлении.В результате диффузии частиц происходит искривлениеэнергетических зон вблизи границы p-n перехода (рис. а) навеличину потенциального барьера ek, где k – контактнаяразность потенциалов. Приграничную область шириной dназывают запирающим слоем.

В этой области происходитперераспределение:Симметричныйp-n - переход•Концентраций основных pp, nn и неосновных np, pnносителей заряда (рис. б);•Потенциала  (рис. в), равного Aвых/e, где Aвых –работа выхода электрона с уровня Ферми на нулевой уровеньэнергии;•Напряженности электрического поля (рис. г);•Плотности объемного заряда  (рис.

д).В процессе диффузии электроны перемещаются в p - областьирекомбинируютсдырками,образуянескомпенсированный отрицательный объемный заряд(рис. д), а дырки перемещаются в n-область, рекомбинируютсэлектронамииобразуютнескомпенсированныйположительный объемный заряд (рис. д). Этот двойной слойэлектрических объемных зарядов создает вблизи границыэлектрическое поле напряженностьюпрепятствует процессу диффузии.(рис.г), E котороеПод действиемEпроисходит дрейфовое движениечерез границу неосновных носителей зарядов pn и np. Такимобразом, через границу p-n перехода наблюдаются встречныепотокиодноименнодиффузионного тока:jDnзаряженныхчастиц.jD  jDp  jDn, гдеВеличинаjDpи- дырочная и электронная составляющие диффузионноготока.Дрейфовый ток:jd  jdp  jdn, гдеjdpдырочная и электронная составляющие дрейфового тока.иjdn-Равновесие на переходе устанавливается при условии:j  jD  jd  0 ,j0Фермигдеj- полный ток.

Приp-n - переход характеризуется единым уровнемE Fp  E FnОпределим(а).основныефизическиевеличиныидеального p-n перехода:1.Высотапотенциальногобарьераопределяетсяразностью уровней Ферми для областей p- и n-типа:e   k  EFn  EFp  kT  ln  kT  lnPpPnnnnpe  kПример: определитьлегированного бором B (N D  10 см163для германия,N A  10 см163) и фосфором P ().Концентрация собственных носителей заряда Geni  pi  1013 см 3 (для T=300 К). Если учесть, что всепримесные атомы ионизированы, тоКонцентрации неосновных носителейТаким образомe   k  8,62  105 эВКp p  nn  10 см16n p 300 К lnni2pp10161010иpn 3ni2nn 0,36 эВ2.

Соотношение концентраций по обе стороны перехода:Потенцируя выражение для ek , получаем:иnn  n p  eЗапирающийподвижнымиe kkTслойносителямиp p  pn  ee kkT.(p-nзаряда-переход)иегообедненсопротивлениезначительно выше сопротивления p- и n-областей. Поэтому егоиногда называют обедненной областью.3.Напряженность электрического поля - определяетсяд 2из уравнения Пуассона ,дx 2 ( x)  0гдеплотность объемного заряда в p-n - переходе;относительнаяполупроводника;диэлектрическая0- (x)--проницаемостьэлектрическаяпостоянная.Предполагая, что объемные заряды в p-n переходе образуютсяионизированными примесными атомами, запишем:Таким образом, p ( x)  e  N Aд 2дx2 n ( x)  e  N De N A  0д 2дx2e N D  0Интегрируя эти выражения, получим:xE  eN A  0dx  eN A  0 ( x  ( xP ))  eN A  0 ( x  x P ) ( x P  0)xPxnE  eN D  0dx  eN D  0 ( xn  x )( xn  0)xМаксимальное значение напряженностиПри x=0| Emax |eN A  xP  0| E max |eN D  xn  0:4.

Ширина p-n перехода.Интегрируя дважды уравнение Пуассона, получим:dгдеk2  0keN ANDN A N D- контактная разность потенциала.Прямое включение внешнего источника напряженияПрямымнапряженияназываетсяU,притакоекоторомеговключениеполярностьвнешнегообратнаконтактной разности потенциалов k p-n - перехода.Под воздействием U потенциальный барьер уменьшаетсядо величины e  (k U ),равновесие нарушается и черезпереход течет диффузионный ток основных носителей заряда(электронов и дырок). Переходя границу p-n - перехода, онистановятся неосновными. Этот процесс называется инжекциейнеосновных носителей заряда.Прямое включениевнешнего источниканапряженияУменьшениевызываетвысотыуменьшениепотенциальногошириныp-n-барьерапереходаdинапряженности электрического поля E в соответствии сранее полученными формулами.Приэтомконцентрациинеосновныхносителейвозрастают с увеличением U:гдеpn  pn 0  epn 0 , n p 0eUkTn p  n p0  e-неосновных носителей заряда.равновесныеeUkTконцентрацииУровень инжекции.pnДля определения приращенияконцентрацииинжектированныхиспользуется уровень инжекции:гдеnn 0,p p0n p,неосновныхpnnn 0носителейn ppp0- равновесные концентрацииосновных носителей.При  1 – уровень инжекции считают средним, при  >1– высоким.

В этих случаях в p- и n-областях возникаютнескомпенсированныеобъемныезарядыиэлектронейтральность p- и n-областей нарушается.Мы будем полагать, что  <<1, то естьуровеньинжекции низкий и p- и n-области за границами p-n -перехода электрически нейтральны.Обратное включение напряженияОбратнымназываетсятакоевключениевнешнегонапряжения U, при котором его полярность совпадает сэлектрическим полем контактной разности потенциалов p-n - перехода.Под действием U потенциальный барьер возрастает довеличины( jD  jd )e  ( k  U )ичерезпереход, равновесие нарушаетсятечетдрейфовыйтокнеосновных носителей заряда: дырок из n-области в pобласть и электронов - в обратном направлении.Обратное включениенапряженияВследствиеуходанеосновныхносителейихконцентрации в p-n - переходе снизятся до значений, близких кнулю.Этоявлениеназываютэкстракциейнеосновныхносителей заряда.Ток, возникающий при обратном включении напряжения,называют обратным током насыщения I0.Привозрастании напряжения обратный ток практически не меняетсяи может возрастать лишь за счет увеличения концентрацийнеосновных носителей заряда np и pn, то есть, при увеличении T.Поэтому I0 называют тепловым током.ВАХ идеального p-n переходаВАХ определяется уравнением:гдеI0I  I 0  (eeUkT 1)- обратный ток насыщения.При достаточно больших положительных U (прямая ветвь) Iвозрастает по экспоненциальному закону.Лекция №13Физические процессы в диодеПолупроводниковыйдиод–полупроводниковыйприбор с одним p-n - переходом, имеющий два вывода.

Приэтом одна из областей p-n - перехода имеет более высокуюконцентрацию примесей и образует эмиттер, а вторая область– базу.ВАХ идеального диода описывается уравнением:I  I 0  (eeUkT 1)Однако, в реальных диодах протекают физические процессы,неучтенные при анализе идеального p-n - перехода.Диод при подключении обратного напряженияРассмотрим обратную ветвь ВАХ реального диода (см.

рис.).Полный обратный ток определяется суммой составляющих:I обр  I 0  I g  I уТепловой токВ реальных диодах тепловой ток I0 (обратный ток насыщения)является частью полного обратного тока Iобр и определяетсякак:I 0 (T )  I 0 (T0 )  exp( T )где T0=300K, T  T  T0 ,коэффициент.- постоянныйОбратную ветвь ВАХТок генерацииВ реальных диодах в p-n - переходе происходитгенерация и рекомбинация носителей заряда.Генерация носителей заряда происходит под действиемконтактной разности потенциалов и внешнего обратногонапряжения U. Ток генерации можно записать так:Ig  e  S  d ni n  pгде e - заряд электрона, S - площадь поперечного сечения p-n перехода, d - ширина p-n - перехода, ni - концентрациясобственных носителей заряда, и  p - время жизниnносителей заряда.

Как видно из уравнения, ток Igпропорционален ширине запирающего слоя d, поэтому Ig растетпропорционально| k  U |ТокгенерацииIgпредставляетсобойскоростьобразования собственных носителей заряда.Ток утечкиТокутечкиIуопределяетсяповерхностнымиявлениями и пропорционален обратному напряжению U.Диод при подключении прямого напряженияПри подключении к диоду прямого напряженияуменьшается потенциальный барьерe  ( k  U )нарушается равновесие и возникает диффузионный токjD,,при котором начинается инжекция неосновных носителейзаряда.

Наряду с диффузионным током в p-n - переходевозникает также ток рекомбинации носителей заряда:Ir  e  s  d ni p  n exp( 2ekUT )Объемное сопротивление базыВслучаенизкогоуровня(<<1)инжекцииконцентрация подвижных носителей заряда в базе диодаменяется мало и объемное сопротивление базы равно:гдебrб 0   б nS- удельное сопротивление базы,n- длинабазы (n - области).Приневысокой(ND<<NA)еестепениобъемноелегированиябазысопротивление(n-области)сравнимоссопротивлением p-n - перехода. В этом случае необходимоучитывать падение напряжения на базе:U  U пер  U бВАХ кремниевого (Si) и германиевого (Ge) диодовGe –ni  2,5  1013 см 3; Si–ni  2  10 см103Биполярный транзисторТранзистор-полупроводниковыйприборснесколькими электрическими переходами, имеющий три илиболее выводов (термин транзистор происходит от английскогослова “transfer of resistor”- преобразователь сопротивления).Биполярный транзистор - транзистор, в которомиспользуются носители зарядов обеих полярностей.Устройство транзистора, выполненного по планарнойтехнологии (n-p-n транзистор)1-коллектор;2-база;3-эмиттерСхема включения p-n-p транзистора с общей базойРассмотрим работу p-n-p транзистора, включенного посхеме с общей базой.

Пусть NА.Э. = NА.К. и NД.Б. << NА.Э. Тогдабольшаячастьзапирающегослояэмиттерногоdэиколлекторного dк переходов находится в базовой области.Системанаходитсявсостоянииравновесияихарактеризуется единым уровнем Ферми ЕFp= ЕFn.Контактные разности потенциалов и потенциальныебарьеры соответственно равны: эб, кб, еэб, екб.Энергетическая диаграмма и распределение потенциалав p-n-p - транзисторе без внешнего напряженияПри работе транзистора в активном режиме наэмиттерный переход подается прямое напряжение (Uэ>0), наколлекторный переход - обратное (Uk<0).Таким образом, контактная разность потенциалов,потенциальный барьер и ширина эмиттерного переходауменьшаются [(эб-Uэ), е(эб-Uэ), dэ], а на коллекторномпереходе - увеличиваются [(кб+Uэ), е(кб+Uэ), dk].Энергетическая диаграмма и токи в транзисторе привключении внешнего напряженияВ результате на эмиттерном переходе начинаетсядиффузионноедвижениеосновныхносителейзарядов(дырок), происходит инжекция дырок из эмиттера в базу.Ширина базы выбирается такой, что время жизни неосновныхносителей - дырок  р >> времени движения в базе.