Электроника 1.1 / Физические основы электроники
ляются пары: германий – арсенид галлия (Ge GaAs ), арсенид галлия – фосфид индия (GaAs InP ), арсенид галлия – арсенид индия (GaAs InAs ), германий – кремний (Ge Si ). Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь различный тип электропроводности. Поэтому для каждой пары полупроводников в принципе возможно осуществить четыре типа гете- роструктур: p 1 n 2 ; n 1 n 2 ; n 1 p 2 и p 1 p 2 . При образовании гетероперехода (рис. 1.26) из-за разных работ выхода электронов из разных полупроводников происходит перераспределение носителей заряда в приконтактной области и выравнивание уровней Ферми в результате установления термодинамического равновесия. Остальные энергетические уровни и зоны должны соответственно изогнуться, т. е. в гетеропереходе возникают диффузионное поле и контактная разность потенциалов. При этом энергетический потолок верхней свободной зоны должен быть непрерывным. Энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, т. к. свободныеэнергетическиезоныперекрываютдругдруга. Рис. 1.26. Зонные энергетические диаграммы гетеропереходов: а – выпрямляющий гетеропереход между полупроводниками p- и n-типа с преимущественной инжекцией электронов в узкозонный полупроводник; б – выпрямляющий гетеропереход между полупроводниками n-типа без инжекции неосновных носителей заряда Ширина энергетических зон различных полупроводников различна, поэтому на границе раздела двух полупроводников получается обычно разрыв дна проводимости. Разрыв дна зоны проводимости определяется различием энергий сродства к электрону двух контактирующих полу-
проводников ( энергия сродства к электрону – разница энергий потолка верхней свободной зоны и дна проводимости). В результате разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью гетеропереходов, обусловливающей специфические свойства гетеропереходов, в отличие p–n- переходов, которые формируются в монокристалле одного полупроводника. Если вблизи границы раздела двух полупроводников, образующих гетеропереход, возникают обедненные основными носителями слои, то основная часть внешнего напряжения, приложенного к структуре с гетеропереходом, будет падать на обедненных слоях. Высота потенциального барьера для основных носителей заряда будет изменяться: уменьшается при полярности внешнего напряжения, противоположной полярности контактной разности потенциалов, и увеличивается при совпадении полярностей внешнего напряжения и контактной разности потенциалов. Таким образом, гетеропереходы могут обладать выпрямляющим свойством. Из-за различия по высоте потенциальных барьеров для электронов (ПБЭ) и дырок (ПБД) прямой ток через гетеропереход связан в основном с движением носителей заряда только одного знака. Поэтому гетеропереходы могут быть как инжектирующими неосновные носители заряда (рис. 1.26, а ), так и неинжектирущими (рис. 1.26, б ). Инжекция неосновных носителей заряда происходит всегда из широкозонного в узкозонный полупроводник. В гетеропереходах, образованных полупроводниками одного типа электропроводности, выпрямление происходит без инжекции неосновных носителей заряда. 1.7.9. Свойства омических переходов Основное назначение омических переходов – электрическое соединение полупроводника с металлическими токоведущими частями полупроводникового прибора. Омических переходов в полупроводниковых приборах больше, чем выпрямляющих. Случаи производственного брака и отказов работы полупроводниковых приборов из-за низкого качества омических переходов довольно часты. При разработке полупроводниковых приборов создание совершенных омических переходов нередко требует больших усилий, чем создание выпрямляющих переходов. Омический переход имеет меньшее отрицательное влияние на параметры и характеристики полупроводникового прибора, если выполняются следующие условия: если вольт-амперная характеристика омического перехода линейна, т. е. омический переход действительно является омическим;
если отсутствует инжекция неосновных носителей заряда через омический переход в прилегающую область полупроводника и накопление неосновных носителей в омическом переходе или вблизи него; при минимально возможном падении напряжения на омическом переходе, т. е. при минимальном его сопротивлении. Структура реального омического контакта в полупроводниковых приборах, в соответствии с перечисленными требованиями, имеет сложное строение и состоит из нескольких омических переходов (рис. 1.27).
| M | n + | n |
| p | p |
Рис. 1.27. Структура реального невыпрямляющего контакта с последовательно соединенными омическими переходами Для уменьшения вероятности накопления неосновных носителей заряда около омического перехода между металлом и полупроводником высота потенциального барьера для неосновных носителей заряда должна быть как можно меньше. Для этого необходимо подобрать металл и полупроводник с равной или близкой работой выхода электрона: A м A п . Так как это трудно обеспечить, то поверхностный слой полу- проводника должен быть сильно легирован соответствующей примесью для обеспечения возможности туннелирования носителей заряда сквозь тонкий потенциальный барьер. Вблизи омического перехода между полупроводниками с одним типом электропроводности, но с различной концентрацией примеси также может происходить накопление неосновных носителей заряда. Для уменьшения влияния этого эффекта на параметры и характеристики полупроводникового прибора в поверхностный слой полупроводника вводят примеси рекомбинационных ловушек (например, золото), что уменьшает время жизни носителей заряда в этой части структуры. При этом накопленные носители заряда будут быстрее рекомбинировать.
Контрольные вопросы и задания 1. Что такое разрешенные и запрещенные энергетические зоны? 2. Что такое уровень Ферми? 3. Как влияет концентрация примеси на положение уровня Ферми? 4. Что такое собственная электропроводность полупроводника? 5. Что такое диффузия и дрейф носителей заряда? 6. Как объяснить температурную зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике? 7. Что такое примесная электропроводность полупроводника? 8. Поясните механизм образования электронно-дырочного перехода. 9. Что такое инжекция и экстракция носителей заряда? 10. Как влияет внешнее напряжение на высоту потенциального барьера и ширину p–n- перехода? 11. Нарисуйте вольт-амперную характеристику p–n- перехода и напишите ее уравнение. 12. Объясните механизм лавинного пробоя. 13. При каких условиях в p–n- переходе возможен туннельный пробой? 14. Что такое барьерная емкость p–n- перехода? 15. Что такое диффузионная емкость? 16. Почему электрический переход между двумя одинаковыми полупроводниками с одним типом электропроводности, но с разной концентрацией примесей является омическим и неинжектирующим носители заряда в высокоомную область? 17. При каких условиях контакт «металл–полупроводник» будет невыпрямляющим? 18. При каких условиях контакт «металл–полупроводник» будет выпрямляющим? 19. В чем состоят особенности гетероперехода? 20. Каким требованиям должны удовлетворять омические переходы?
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 2.1. Общие сведения о диодах Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода. В полупроводниковых диодах выпрямляющим электрическим переходом может быть электронно-дырочный ( p–n ) переход, либо контакт «металл–полупроводник», обладающий вентильным свойством, либо гетеропереход. В зависимости от типа перехода полупроводниковые диоды имеют следующие структуры (рис. 2.1): а) с p–n- переходом или гетеропереходом; в такой структуре, кроме выпрямляющего перехода, должно быть два омических перехода, через которые соединяются выводы диода; б) структуры с выпрямляющим переходом в виде контакта «металл– полупроводник», имеющей всего один омический переход.
| p | n | ||||
| M | M | M | Полупроводник | M 2 | |
| 1 | |||||
| H | B а | H | B | б | H |
Рис. 2.1. Структуры полупроводниковых диодов: а – с выпрямляющим p–n-переходом; б – с выпрямляющим переходом на контакте «металл–полупроводник»; невыпрямляющий (Н) электрический (омический) переход; выпрямляющий (В) электрический переход; металл (М) В большинстве случаев полупроводниковые диоды с р–n- перехо- дами делают несимметричными, т. е. концентрация примесей в одной из областей значительно больше, чем в другой. Поэтому количество неосновных носителей, инжектируемых из сильно легированной (низкоомной) области, называемой эмиттером диода , в слаболегированную (высокоомную) область, называемую базой диода , значительно больше, чем в противоположном направлении. Классификация диодов производится по различным признакам: по типу полупроводникового материала – кремниевые, германиевые, из ар-
сенида галлия; по назначению – выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и др.; по технологии изготовления электроннодырочного перехода – сплавные, диффузионные и др.; по типу элек- тронно-дырочного перехода – точечные и плоскостные. Основными классификационными признаками являются тип электрического перехода и назначение диода. В зависимости от геометрических размеров p–n- перехода диоды подразделяют на плоскостные и точечные. Плоскостными называют такие диоды, у которых размеры, определяющие площадь p–n- перехода, значительно больше его ширины. У таких диодов площадь p–n- перехода может составлять от долей квадратного миллиметра до десятков квадратных сантиметров. Плоскостные диоды (рис. 2.2) изготавливают методом сплавления или методом диффузии.
| p-n-переход | p Si |
| In | |
| n Si |
Рис. 2.2. Структура плоскостного диода Плоскостные диоды имеют сравнительно большую величину барьерной емкости (до десятков пикофарад), что ограничивает их предельную частоту до 10 кГц. Промышленностью выпускаются плоскостные диоды в широком диапазоне токов (до тысяч ампер) и напряжений (до тысяч вольт), что позволяет их использовать как в установках малой мощности, так и в установках средней и большой мощности. Точечные диоды имеют очень малую площадь p–n- перехода, причем линейные размеры ее меньше толщины p–n- перехода. Точечные р–n- переходы (рис. 2.3) образуются в месте контакта монокристалла полупроводника и острия металлической проволочки – пружинки. Для обеспечения более надежного контакта его подвергают формовке, длячегоужечерезсобранныйдиодпропускаюткороткиеимпульсытока. В результате формовки из-за сильного местного нагрева материал острия пружинки расплавляется и диффундирует в кристалл полупро-
водника, образуя слой иного типа электропроводности, чем полупроводник. Между этим слоем и кристаллом возникает p–n- переход полусферической формы. Благодаря малой площади p–n- перехода барьерная емкость точечных диодов очень незначительна, что позволяет использовать их на высоких и сверхвысоких частотах.
| p-n-переход W | p Si |
n Si Рис. 2.3. Структура точечного диода По аналогии с электровакуумными диодами ту сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, называют катодом , а противоположную – анодом . 2.2. Выпрямительные диоды Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямительные диоды, помимо применения в источниках питания для выпрямления переменного тока в постоянный, также используются в цепях управления и коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов. Конструктивно выпрямительные диоды оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах в виде дискретных элементов (рис. 2.4, а ) либо в виде диодных сборок, например диодных мостов (рис. 2.4, б ), выполненных в едином корпусе. На рис. 2.4, в приведена конструкция выпрямительного маломощного диода, изготовленного методом сплавления. В качестве полупроводникового материала использован германий. Изготовление германиевых выпрямительных диодов начинается с вплавления индия 1 в исходную полупроводниковую пластину (кристалл) германия 2 n -типа. Кристалл 2 припаивается к стальному кристаллодержателю 3 . Основой конструкции является коваровый корпус 6 , приваренный к кристалло-держателю.
Корпус изолирован от внешнего вывода стеклянным проходным изолятором 5 . Внутренний вывод 4 имеет специальный изгиб для уменьшения механических напряжений при изменении температуры. Внешняя поверхность стеклянного изолятора покрывается светонепроницаемым лаком для предотвращения попадания света внутрь прибора, для устранения генерации пар «электрон–дырка» и увеличения обратного тока p–n- перехода.
Рис. 2.4. Выпрямительные диоды: а – дискретное исполнение; б – диодные мосты; в – конструкция одного из маломощных диодов Конструкция ряда маломощных кремниевых диодов практически не отличается от конструкции маломощных германиевых диодов. Кристаллы мощных выпрямительных диодов монтируются в массивном корпусе, который имеет стержень с резьбой для крепления диода на охладителе/радиаторе (рис. 2.5), для отвода тепла, выделяющегося при работе прибора. Для получения p–n- переходов кремниевых выпрямительных диодов вплавляют алюминий в кристалл кремния n -типа или же сплав золота с сурьмой в кремний p -типа. Для получения переходов также используют диффузионные методы.
Рис. 2.5. Мощные выпрямительные диоды: а – дискретное исполнение; б – диодный мост; в – диодный силовой модуль; г – конструкция одного из диодов Выпрямительные диоды должны иметь как можно меньшую величину обратного тока, что определяется концентрацией неосновных носителей заряда или в конечном счете степенью очистки исходного полупроводникового материала. Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диода описывается уравнением (1.16) и имеет вид, изображенный на рис. 2.6.
| I пр | R ст | ||||||
| I прсрном | |||||||
| I пр | |||||||
| U проб U обр ном | |||||||
| U обр | U | о | U пр ср ном U | пр | |||
| I обр ном | U пр | ||||||
I обр Рис. 2.6. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода можно определить следующие основные параметры, влияющие на его работу: 1. Номинальный средний прямой ток I прср ном – среднее значение тока, проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения. 2. Номинальное среднее прямое напряжение U прср ном – среднее значение прямого напряжения на диоде при протекании номинального
среднего прямого тока. Этот параметр является очень важным для обеспечения параллельной работы нескольких диодов в одной электрической цепи. 3. Напряжение отсечки U о , определяемое точкой пересечения ли- нейного участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осью напряжений. 4. Пробивное напряжение U проб – обратное напряжение на диоде, соответствующее началу участка пробоя на вольт-амперной характеристике, когда она претерпевает излом в сторону резкого увеличения обратного тока. 5. Номинальное обратное напряжение U обр ном – рабочее обратное напряжение на диоде; его значение для отечественных приборов составляет 0,5 U проб . Этот параметр используется для обеспечения последователь- ного включения нескольких диодов в одну электрическую цепь. 6. Номинальное значение обратного тока I обр ном – величина об- ратного тока диода при приложении к нему номинального обратного напряжения. 7. Статическое сопротивление диода
| R | U пр | tgα, | (2.1) | |
| ст | I пр | |||
| где I пр – величина прямого тока диода; U пр | – падение напряжения на | |||
| диоде при протекании тока I пр . | ||||
Статическое сопротивление диода представляет собой его сопротивление постоянному току. Кроме рассмотренной системы статических параметров, в работе диодов важную роль играет система динамических параметров: 1. Динамическое ( дифференциальное ) сопротивление
| R | U пр | tgβ, | (2.2) | ||
| дин | I пр | ||||
| где I пр – приращение прямого тока диода; | U пр | – приращение паде- | |||
ния напряжения на диоде при изменении его прямого тока на I пр . Динамическое сопротивление играет важную роль и в рассмотрении процессов при обратном включении диода, например в стабилитронах. Там динамическое сопротивление определяется через приращение обратного тока и обратного напряжения.
9.3. Неравновесное состояние n-p перехода. Явления инжекции и экстракции носителей заряда
Если к n- р переходу подключить источник напряжения ( U ), то равновесие в нем нарушается и в цепи потечет ток . При соединении плюса источника питания с р — областью , а минуса с n — областью потенциальный барьер уменьшается , внешнее электрическое поле ( Е ) оказывается направленным противоположно полю объемного заряда ( Е опз ) ( прямое включение ). Смена полярности вызывает увеличение потенциального барьера ( обратное включение n- р перехода ) ( рис . 9.4). В общем случае величина потенциального барьера определяется разностью φ к − U при прямом включении U и подставляется со знаком плюс , а в обратном − минус . При прямом включении n- р перехода увеличивается диффузионный поток основных носителей заряда , так как происходит нарушение динамического равновесия между диффузионными и дрейфовыми составляющими полного тока :
j n диф ,p > j n др ,p и через переход начинает течь прямой ток ( j пр ), диффузионным перемещением электронов из n — области обратной диффузией дырок .
(9.9) обусловленный в р — область и
Рис . 9.4. Зонная структура n- р перехода при прямом ( а ) и обратном ( б ) смещении В результате концентрация неосновных носителей в противоположной области ( электронов в p — области и дырок в n — области ) вблизи границ ОПЗ перехода становится больше равновесной . Вследствие конечного времени жизни дырок их рекомбинация с электронами будет происходить не сразу , и
поэтому в некоторой области за пределами ОПЗ концентрация дырок будет оставаться больше равновесного значения р n о . Это явление получило название инжекции неосновных носителей заряда и заключается в возникновении по обе стороны ОПЗ квазинейтральных ( почти электронейтральных ) областей с повышенной концентрацией неосновных носителей заряда . По мере движения дырок вправо за счет диффузии их избыточная концентрация будет убывать до нуля за счет их рекомбинации с электронами . Аналогично при прямом напряжении электроны будут пересекать ОПЗ справа налево и проходить из n — области в р — область , где также их избыточная концентрация уменьшается за счет рекомбинации с дырками . При обратном включении направления внешнего электрического поля и поля объемного заряда совпадают , что приводит к росту величины потенциального барьера , значение которого становится равным e (ϕ k +U ). В этих условиях также нарушается динамическое равновесие между составляющими полного тока :
| j n диф ,p < j n др ,p . | (9.10) |
В цепи перехода начинает течь обратный ток (j об ) , обусловленный дрейфовым движением неосновных носителей заряда , электронов из р — области в n — область и дырок из n — области в р — область . Количество основных носителей заряда , преодолевающих барьер , экспоненциально уменьшается . Концентрация неосновных носителей заряда у границы перехода снижается вследствие увеличения поля объемного заряда в переходе . Выведение носителей заряда ускоряющим электрическим полем n-p перехода из области полупроводника , где они являются неосновными , называется экстракцией носителей заряда . Количественными характеристиками этого процесса являются уровень инжекции и коэффициент инжекции . Уровень инжекции (δ) представляет собой отношение концентрации инжектированных избыточных неосновных носителей заряда к концентрации основных носителей в базе . Так , например , для n + -p перехода можно записать :
| δ = | n p | ≈ | n p | . | (9.11) |
| p p 0 | N A | ||||
Коэффициент инжекции − это отношение тока носителей одного знака , инжектированных через переход , к полному току :
| γ = | I p |
| I p + I n . | (9.12) |
9.4. ВАХ идеализированного перехода
В общем случае под уравнением ВАХ понимают функциональную зависимость , которая связывает величину тока ( плотности тока ), текущего через переход , с приложенным к переходу внешним напряжением . Наиболее просто уравнение ВАХ n-p перехода можно получить при рассмотрении диодной теории ( эту модель иногда называют моделью Шокли ), которая основывается на следующих допущениях : · в обедненном слое нет генерации , рекомбинации и рассеяния носителей ; носители проходят через обедненный слой мгновенно , т . е . токи носителей одного знака на обеих границах одинаковы ; · вне обедненного слоя нет электрического поля , здесь носители движутся только вследствие диффузии ; сопротивления нейтральных областей в сравнении с сопротивлением обедненного слоя считаются пренебрежимо малыми ; уровень инжекции низкий ; · границы перехода являются плоскими , носители движутся только в направлении , перпендикулярном этим границам , краевые эффекты не учитываются ; · полагается , что концентрации носителей заряда и значения электрических полей по любому сечению образца постоянные , т . е . возможно применить одномерное рассмотрение задачи . Как было показано выше , при прямом включении перехода , за счет снижения высоты потенциального барьера , возрастают диффузионные токи электронов из n- области в p- область и дырок из p в n . При этом величины соответствующих токов могут быть определены по закону Фика :
| j | диф | = — eD p | dp n | ( x ) | , | (9.13) | |||||||||||
| р | dx | ||||||||||||||||
| j | диф | = — eD | dn p ( x ) | . | (9.14) | ||||||||||||
| n | |||||||||||||||||
| n | dx | ||||||||||||||||
| Таким образом , обобщенное выражение ВАХ n-p перехода можно | |||||||||||||||||
| записать следующим образом : | |||||||||||||||||
| é | æ U ö | ù | æ | D | D p | ö | |||||||||||
| ç | n | ÷ | |||||||||||||||
| ç | ÷ | ||||||||||||||||
| — 1 ú ; | j 0 = e ç | L | n p 0 + | L | p n 0 ÷ . | (9.15) | |||||||||||
| j = j 0 ê exp ç j ÷ | p | ||||||||||||||||
| ë | è | T ø | û | è | n | ø | |||||||||||
Это выражение можно рассматривать как формулу для идеального диода , вольт — амперная характеристика которого представлена на рис . 9.5 штриховой линией . В уравнении (9.15) величина j 0 представляет собой тепловой ток неосновных носителей заряда , который не зависит от величины и полярности внешнего напряжения . Основным фактором , определяющим величину теплового тока , является температура перехода , влияющая на концентрацию носителей заряда в полупроводнике . Зависимость j 0 от температуры
характеризуют изменением температуры T 2 , необходимым для удвоения тока :
| T 2 = | kT 0 ln 2 | . | (9.16) |
| E g |
T епловой ток резко снижается с увеличением ширины запрещенной зоны полупроводника и уменьшается с ростом концентрации примесей .
9.5. ВАХ реального n-p перехода
Уравнение Шокли не отражает всех физических свойств n-p перехода и реальная ВАХ ( рис . 9.5) всегда в той или иной степени отклоняется от зависимости , определяемой выражением (9.15). В общем виде эти отличия можно сформулировать следующим образом : ∙ при одинаковой величине обратного напряжения , приложенного к переходу , реальная величина обратного тока существенно превышает ток j 0 ; ∙ при одинаковой величине прямого напряжения , приложенного к переходу , реальная величина прямого тока меньше расчетного значения по уравнению (9.15); ∙ в пределах прямой ветки реальной ВАХ при относительно больших величинах прямого напряжения имеется омический участок , в котором зависимость между током и напряжением описывается не экспоненциальной , а линейной зависимостью . Рис . 9.5. ВАХ n-p перехода : идеального − штриховая линия и реального − сплошная линия Основная причина различий идеальной и реальной ВАХ в пределах обратной ветки заключается в том , что уравнение (9.15) было получено без учета генерационно — рекомбинационных процессов в ОПЗ перехода . Такое допущение оправдано только в случае очень тонких переходов , которые на практике встречаются редко . Составляющую обратного тока , обусловленную 166
процессами генерации электронно — дырочных пар в переходе , называют током термогенерации (j g ) , а величину его можно определить из следующих соображений . Процессы генерации и рекомбинации протекают во всех частях диода – как в обедненном слое , так и в нейтральных n и p областях . В равновесном состоянии скорости генерации и рекомбинации носителей заряда одинаковы , поэтому результирующие потоки носителей отсутствуют . С приложением к переходу обратного напряжения толщина обедненного слоя ( d ) будет возрастать и , в результате , обедненный слой будет дополнительно обедняться свободными носителями заряда . Дефицит свободных носителей заряда замедлит процессы рекомбинации в переходе , в результате равновесие сдвинется в сторону генерации . При этом избыточные генерируемые носители будут перебрасываться полем перехода в нейтральные области : дырки в n- область , а электроны в р — область . Эти потоки и образуют ток термогенерации , увеличивающий обратный тепловой ток . Таким образом , при заданной величине обратного напряжения на переходе величина обратного тока (j об ) складывается из двух составляющих – теплового тока неосновных носителей заряда (j 0 ) и тока термогенерации (j g ) :
| j об = j 0 + j g . | (9.17) |
Вклад тока генерации тем выше , чем больше ширина запрещенной зоны , величина обратного напряжения и степень легирования n и p областей и чем меньше температура , причем j g / j 0 может на несколько порядков величины превышать единицу . На величину обратного тока также влияют поверхностные токи утечки , которые возникают в местах выхода n- р перехода на поверхность кристалла . Они увеличиваются с ростом напряжения и мало чувствительны к изменению температуры . При прямом включении перехода , за счет уменьшения его толщины , генерационно — рекомбинационное равновесие сдвигается в сторону рекомбинации и ток в прямом направлении возрастает на некоторую величину j R , которую называют током рекомбинации . С возрастанием величины прямого напряжения U относительная доля тока рекомбинации в общем прямом токе резко уменьшается . Поэтому величина j R оказывает влияние на характер прямой ветки ВАХ только на начальном участке ( работа в микрорежиме ). Существенное влияние на вид ВАХ при U > φ к оказывает сопротивление нейтральных областей вне области перехода . Прохождение тока через эти области создает на них падение напряжения , снижая тем самым напряжение непосредственно на переходе . Перераспределение внешнего напряжения между обедненной областью и базой приводит к изменению величины тока . При достаточно большом прямом токе идеализированная экспоненциальная ВАХ становится более пологой . На практике ВАХ реального перехода аппроксимируют уравнением
| * | é | æ | ö | ù | |
| ç mU | ÷ | ||||
| j = j 0 | ê exp ç | ÷ | — 1 ú , | (9.18) | |
| j | |||||
| ë | è | T | ø | û | |
| где j 0 * и m = 1 — 2 ( фактор | неидеальности ) | являются параметрами , | |||
подбираемыми из условия наилучшего совпадения с экспериментальной ВАХ . 9.6. Механизмы пробоя n-р перехода В случае обратного включения в реальном n- р переходе при достижении некоторого значения обратного напряжения U пр начинается резкое возрастание тока , приводящее к пробою перехода . Пробоем называют резкое увеличение тока через переход в области обратных напряжений , превышающих напряжение пробоя . Существует несколько физических механизмов пробоя n- р перехода : · туннельный ( зенеровский ), · лавинный , · тепловой , · поверхностный , каждый из которых характеризуется напряжением пробоя ( U тп , U лп , U тпп ) и величиной критического напряжения (U * ). Параметр U * определяет границу между обратимым и необратимым пробоем . В случае , когда величина обратного напряжения , приложенного к переходу , лежит в диапазоне U [U тп , U лп , U тпп …U * ], пробой является обратимым и с уменьшением обратного напряжения свойства перехода восстанавливаются . При U > U * пробой является необратимым т . к . уменьшение напряжения ведет к росту обратного тока и к физическому разрушению ( расплавлению ) перехода . Туннельный пробой возникает в переходах между сильно легированными областями при условии , когда ширина n- р перехода соизмерима с длиной волны де — Бройля свободных носителей . 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 наклон зон , при котором заполненные электронами уровни валентной зоны находятся напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны . Поскольку туннельный механизм перехода носителей имеет место только при малой ширине ОПЗ , то для этого типа пробоя характерны невысокие пробивные напряжения ( кривая 4 на рис . 9.5). К отличительным
особенностям туннельного пробоя следует также отнести сравнительно слабую зависимость напряжения пробоя от температуры , так как влияние температуры на напряжение туннельного пробоя связано , в основном , с изменением ширины запрещенной зоны . Лавинный пробой возникает в результате лавинной ударной ионизации атомов полупроводника в обедненном слое носителями заряда , ускоренными электрическим полем . Данный тип пробоя , в отличие от туннельного , преимущественно реализуется в широких n- р переходах при высоких обратных напряжениях ( кривая 5 на рис . 9.5). Характеристикой процесса лавинного пробоя является коэффициент лавинного умножения М , который равен отношению тока носителей , входящих в обедненную область , к току выхода из нее . Зависимость тока лавинного пробоя от величины обратного напряжения j проб = f(U) достаточно сложная и в целом аналитически не описывается . Поэтому для оценки коэффициента умножения можно использовать следующую аппроксимацию :
| M = | j проб | ≈ | 1 | , | (9.19) |
| 1− ( U обр / U пр ) m | |||||
| j 0 |
где m − параметр , зависящий от природы полупроводника : m = 5 для кремния и германия n — типа , m = 3 для германия р — типа . Напряжение возникновения лавинного пробоя растет с увеличением ширины запрещенной зоны полупроводника и температуры перехода . Тепловой пробой связан с разогревом n- р перехода при прохождении обратного тока в условиях , когда тепловыделение не компенсируется теплоотводом . При увеличении обратного напряжения увеличивается и мощность , рассеиваемая в переходе в виде тепла , поэтому разогрев перехода обратными токами в свою очередь приводит к увеличению обратного тока за счет дополнительной генерации неосновных носителей . Возрастание обратного тока приведет к дополнительному выделению тепла и соответственно дополнительному разогреву , что явится причиной дальнейшего увеличения обратного тока . Таким образом , в n- р переходе возникает положительная обратная связь , которая приводит к возникновению тепловой неустойчивости − тепловому пробою , характерной особенностью которого является наличие участка ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением ( участок АВ на рис . 9.5). В отличие от туннельного и лавинного пробоя , тепловой пробой приводит к практически мгновенному разрушению перехода и поэтому является необратимым . Поверхностный пробой возникает в местах выхода n- р перехода на поверхность кристалла и может быть связан с неравномерностью электрического поля , особенностями диэлектрических свойств среды на границе с полупроводником , наличием загрязнений на поверхности и другими факторами .
Явления инжекции и экстракции. Прямое и обратное напряжение
Инжекция – явление, при котором происходит увеличение концентрации неосновных носителей заряда в приконтактных областях. Явление инжекции является следствием уменьшения высоты потенциального барьера в p-n-переходе при подаче на него прямого смещения («+» на p-область и «–» на n-область).
При подаче прямого напряжения электроны инжектируются из n в p область, дырки наоборот. Переходя в соседние области эти носители заряда становятся неосновными (что приводит к увеличению концентрации неосн. неосителей вблизи ОПЗ)
Для несимметричного p-n перехода, (например Nд>Nа) инжекция носит односторонний характер. Главную роль играют носители заряда, инжектируемые из высоколегированного п/п в слаболегируемый п/п. Слой, из которого инжектрируются заряды – эммитер, а слой в который инжектируется – база!
Экстракция – явление, при котором концентрация неосновных носителей заряда в приконтактных областях уменьшается. Явление экстракции является следствием увеличения высоты потенциального барьера в p-n-переходе при подаче на него обратного смещения («-» на p-область и «+» на n-область).
При таком включении ток через переход будет носить дрейфовый характер (за счет неосновных носителей заряда) т.к. их достаточно мало, то и обратный ток через переход тоже мал. При обратном смещении увеличивается ОПЗ и увеличивается внутреннее электрическое поле, оно будет складываться с внешним. (т.к. при экстракции направление внутреннего электрического поля будет совпадать с внешним электрическим полем обратного напряжения). Это внутреннее поле будет выталкивать неосновные носители заряда из областей, прилегающих к ОПЗ, в результате чего их концентрация упадет до 0.
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.007 с) .
Основные физические процессы в биполярных транзисторах
В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.
Рассмотрим р‑n переход эмиттер – база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р‑n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок р n(х) по базе описывается следующим уравнением:
Схематически распределение инжектированных дырок р n(х) показано на рисунке 5.5.
Рис. 5.5. Распределение инжектированных дырок в базе
Процесс переноса инжектированных носителей через базу – диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения, – диффузионная длина L p. Поэтому если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины L p. И условие W < Lp является необходимым для реализации транзисторного эффекта – управления током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи.
В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток.
Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p‑n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса:
— инжекция из эмиттера в базу;
— диффузия через базу;
— рекомбинация в базе;
— экстракция из базы в коллектор.
Эти процессы для одного типа носителей схематически показаны на рисунке 5.6а, б.
Рис. 5.6. Зонная диаграмма биполярного транзистора:
а) в равновесном состоянии; б) в активном режиме
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.007 с) .