Емкостные свойства р-n-перехода

Емкостные свойства р-n-перехода

Лекция 6 Электронно-дырочный р-n переход. Основные характеристики и параметры р-n перехода. Полупроводниковые диоды . Электронно-дырочный р-n переход

1. Электронно-дырочный р-n переход;

2. Основные характеристики и параметры р-n перехода;

3. Полупроводниковые диоды;

4. Электронно-дырочный р-n переход.

В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит исполь­зование свойств р-п переходов. Однако р-п переход не может быть создан путем простого соприкосновения двух полупровод­никовых кристаллов с разными типами электропроводности, так как при этом между кристаллами всегда будет существовать некоторый промежуточный слой. Обычно р-п переходы создают с помощью специальных технологических приемов.

По технологии изготовления р-п переходы разделяют на сплавные и диффузионные. При изготовлении сплавного перехода пластинку примесного полупроводника определенного типа, например кремния n -типа, тщательно шлифуют до необходимой толщины, затем на ее поверхности укрепляют небольшую таблетку элемента III группы таблицы Менделеева и помещают в печь, где она нагревается до температуры, лежащей ниже точки плавления полупроводника, но выше точки плавления примеси. В результате этого происходит вплавление в кристалл примеси и формирование р-п перехода. При диффузионном методе изготовления р-п перехода полупроводниковые пластинки с защитным окисным слоем предва­рительно подвергают фотолитографической обработке, при кото­рой на поверхности пластинки создаются площади заданной конфигурации, свободные от окисного слоя,— «окна». После фотолитографии через эти «окна» проводят диффузию примесей в полупроводниковую пластинку и получают р-п переходы.

Для изготовления полупроводниковых приборов с заданными электрическими характеристиками необходимо очень точно выдержать размеры областей кристалла с разными типами электро­проводности. В сплавном переходе конфигурация отдельных областей кристалла сильно зависит от точности поддержания температуры, толщины пластинки, времени вплавления и коли­чества примесей. Ничтожные отклонения любого показателя от номинального значения приводят к большому разбросу элект­рических параметров полупроводниковых приборов. Диффузионный процесс более медленный и лучше управляемый, поэтому с помощью диффузии удается создать лучшие р-п переходы.

При создании электронно-дырочного перехода на границе между полупроводниками с различными типами электропроводности возникают большие градиенты концентрации подвижных носителей зарядов. Это приводит к тому, что через границу между полупроводниками п — и p-типов проходят диффузионные токи (электронный из n -области, дырочный из p — области). В ре­зультате ухода основных носителей на границе полупроводников с разными типами электропроводности создается обедненный слой, в котором в n -области будут находиться положительно заряженные ионы донорных атомов, а в р-области— отрицательно заряженные ионы акцепторных атомов. Этот двойной слой протяженностью в десятые доли микрометра и является р-п переходом (рисунок 6.1, а).

Рисунок 6.1 — Структура р-п перехода и его вольт-амперная характеристика (г)

Расположенный в p -n переходе двойной слой неподвижных электрических зарядов создает внутреннее электрическое поле. Часть n -области, непосредственно прилегающая к границе по­лупроводников с разными типами электропроводности, заряжа­ется положительно, а часть p -области — отрицательно. Вследствие этого между р- и n-областями возникает некоторая разность потенциалов — потенциальный барьер, который препятствует дви­жению основных носителей из одной области полупроводникового кристалла в другую и одновременно способствует движению неосновных носителей. Под воздействием электрического поля р-п перехода дырки легко перемещаются из n-области в p -область, а электроны — в обратном направлении, но перемещение дырок из p -области в n -область так же, как перемещение электронов из n-области в p -область, затруднено, т. е. электрическое поле р-п перехода препятствует увеличению диффузионного тока и не препятствует прохождению дрейфового тока через переход. Естественно, что при отсутствии внешнего напряжения в р-п переходе устанавливается равновесие, при котором взаимно компенсиру­ются заряды донорных и акцепторных ионов, дрейфовый и диффузионный токи, проходящие в противоположных направлениях. При этом р-п переход оказывается электрически нейтральным, а ток через него равен нулю.

Если к р- и n-областям полупроводникового кристалла, в котором создан электронно-дырочный переход, подвести внешнее напряжение, то из-за большого сопротивления перехода по сравнению с сопротивлением остальной части кристалла оно окажется приложенным только к р-п переходу. Внешнее напряже­ние нарушает равновесие в электронно-дырочном переходе, и воз­никает ток.

При подключении положительного полюса источника вне­шнего напряжения к p -области высота потенциального барьера уменьшается, а диффузионный ток основных носителей заряда резко возрастает. Такое включение р-п перехода называют прямым (рисунок 6.1, б). При прямом включении происходит преимущест­венное введение носителей зарядов в те области полупровод­никового кристалла, где они являются неосновными, поэтому этот режим работы р-п перехода называют режимом инжекции неосновных носителей. Если изменить полярность внешнего напряжения (подключить к р-области отрицательный полюс источника), высота потенциального барьера в р-п переходе падает. Уже при U≈ — 0,5 В диффузионный ток прекращается и при дальнейшем повышении внешнего напряжения через р-п переход будет проходить только дрейфовый ток неосновных носителей, который называют обратным. Так как число неосновных носи­телей значительно меньше, чем основных, величина тока через переход в этом случае будет небольшой по сравнению с током при прямом включении и практически постоянной при изменении внешнего напряжения в широких пределах. Указанное включение р-п перехода называют обратным (рисунок 6.1, в).

Таким образом р-п переход обладает несимметричной вольт-амперной характеристикой (рисунок 6.1, г). При прямом включении через него проходит большой прямой ток, а при обратном — незначительный обратный ток, который практически определяется собственной электропроводностью полупроводника, сильно зави­сящей от температуры среды. Например, в германиевых полу­проводниковых приборах обратный ток р-п перехода возрастает примерно вдвое при повышении температуры на каждые 10 0 С.

При больших отрицательных напряжениях в р-п переходе наблюдается резкий рост обратного тока. Это явление называют пробоем р-п перехода. Пробой перехода возникает при достаточно сильном электрическом поле, когда неосновные носителя зарядов ускоряются настолько, что ионизируют атомы полупроводника. При ионизации создаются электроны и дырки, которые, раз­гоняясь, снова ионизируют атомы и т. д., в результате чего диффузионный ток через переход резко возрастает, а на вольт-амперной характеристике р-п перехода в области больших отрицательных напряжений наблюдается скачок обратного тока. Следует отметить, что после пробоя переход выходит из строя только тогда, когда происходят необратимые изменения его структуры в случае чрезмерного перегрева, который наблюдается при тепловом пробое. Если же мощность, выделяющаяся на р-п переходе, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Такой пробой называют электрическим (восстанавливаемым).

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-п переходом и двумя выводами. Конструктивно такой диод представляет собой кристалл полупроводника, в ко­тором одним из технологических приемов выполнен р-п переход. Часть поверхностей двух различных областей кристалла, образующих переход, покрывают металлической пленкой, к которой приваривают или припаивают внешние выводы. Конструкция сплавного диода в стеклянном корпусе показана на рисунке 6.2, а, а бескорпусного диффузионного диода — на рисунке 6.2, б.

Основным элементом полупроводникового диода является р-п переход, поэтому вольт-амперная характеристика реального диода близка к вольт-амперной характеристике р-п перехода, приведен­ной на рисунке 6.2, г. Однако работа реального полупроводникового диода и его вольт-амперная характеристика несколько отличаются от р-п перехода, рассмотренного выше. Основные отличия обусловлены следующими причинами.

Во-первых, в реальных диодах, как правило, используют несимметричные р-п переходы, для которых выполняются условия pp >> nn или nn >> pp . Резкое различие в концентрации основных носителей зарядов приводит к тому, что одна из областей полупроводникового кристалла (область с большей концентрацией основных носителей) становится низкоомной, а другая — высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении р-п перехода будет практически целиком определяться потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении р-п перехода на границе областей с различным типом электропроводности.

В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области при образовании перехода в ней в единице объема «обнажится» большее количество ионов, чем в высокоомной области. Так как любой р-п переход в состоянии равновесия остается электрически нейтральным, ширина обедненного слоя в высокоомной области оказывается больше. Если различие в концентрации основных носителей велико, то р-п переход будет почти целиком расположен в высокоомной области, которая получила название базы.

Рисунок 6.2 — Конструкции полупроводниковых диодов (а, б) и его вольт-амперная характеристика (в)

Во-вторых, сопротивление объема полупроводникового кри­сталла не равно нулю, и при больших значениях прямого тока им нельзя пренебрегать. Так как в реальных диодах сопротивление эмиттера rЭ значительно меньше сопротивления базы, учитывают влияние на прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода только сопротивление базы rБ

В-третьих, реальный диод имеет конечные размеры, поэтому необходимо учитывать процессы, происходящие на поверхности его кристалла. Наиболее важным является ток утечки, который влияет на обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода.

Последние две причины приводят к тому, что прямой ток диода оказывается меньше, чем в р-п переходе, а обратный ток не остается постоянным, а медленно возрастает (рисунок 6.2, в).

Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в р-п переходе.

Первую группу составляют выпрямительные или силовые диоды, для которых основным является вентильный эффект (большой ток при прямом напряжении и малый ток при обратном напряжении).

Рисунок 6.3 — ΒΑΧ стабилитрона

Для них наиболее важны статические параметры, характеризующие вентильные свойства: сопротивление в прямом и обратном направлениях. Так как это мощные диоды, для них также существенны максимальный прямой ток и допустимое обратное напряжение.

Вторая группа диодов (детекторные, преобразовательные, пе­реключающие) также использует вентильный эффект, но это маломощные высокочастотные диоды, поэтому для них кроме тех же статических параметров, характеризующих вентильные свойства, важны собственная емкость диода и индуктивность его выводов. Для уменьшения этих емкостей и индуктивностей используют диоды с малой площадью р-п перехода и короткими выводами. В частности, широко применяют точечные диоды.

Диоды третьей группы работают в режиме электрического пробоя. На них подается обратное напряжение, величина которого подбирается близкой к UCT (рисунок 6.3 6), за счет чего на таком диоде, называемом стабилитроном, удается получить незначительное изменение выходного напряжения — стабилизировать постоянное напряжение. Основными параметрами стабилитронов яв­ляются: напряжение стабилизации UCT и величина ∆UCT ,а также значения Imin и Imax .

Наконец, в диодах четвертой группы используются емкостные свойства p-n перехода. В связи с тем, что p-n переход представляет собой область, обедненную носителями зарядов, он является как бы слоем диэлектрика между двумя проводящими областями. Это позволяет рассматривать p-n переход как своеобразный плоский конденсатор, емкость которого определяется шириной p-n перехода. Если к диоду приложить обратное напряжение и изменять его величину, то ширина p-n перехода будет меняться, что эквивалентно изменению его емкости. Такое свойство p-n перехода позволяет использовать полупроводниковый диод в качестве прибора с электрически управляемой емкостью — варикапа (от первых слогов английских слов variable — переменный и capacity — емкость). Основными параметрами варикапов служат: Сном, Cmin, Cmax, а также величина потерь.

Характеристики диода существенно меняются от концентрации примесей в полупроводнике. Например, если концентрация доноров в n -области и акцепторов в p -области в тысячи раз выше, чем у обычных диодов, толщина р-п перехода оказывается очень малой (у обычных диодов она около 1 мкм, а при такой большой концентрации носителей — 0,001 мкм). Это приводит к значительному отличию механизма прохождения тока через тонкий р-п переход.

Кроме диффузии здесь наблюдается туннельный эффект, который заключается в том, что благодаря волновым свойствам электрона происходит его переход через потенциальный барьер без потери энергии. Максимум туннельного эффекта наблюдается при прямом напряжении на переходе порядка 100 мВ.

Диоды с такой высокой концентрацией примесей в эмиттере и базе называют туннельными, их вольт-амперные характеристики (рисунок 4) существенно отличаются от характеристик обычных диодов: в туннельном диоде не наблюдается вентильного эффекта; в области небольших положительных напряжений на вольт-амперной характеристике туннельного диода имеется так называ­емый «падающий» участок, который характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В качестве параметров туннельных диодов используют напряжение пика Uп , ток пика Iп , напряжение впадины Uв , ток впадины Iв и напряжение Uр , при котором ток равен току пика. Указанные значения напряжений и токов соответствуют точкам 1, 2, 3 вольт-амперной характеристики туннельного диода (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 – ΒΑΧ туннельного ди­ода

Наиболее интересным является режим работы туннельного диода, когда рабочая точка располагается на падающем участке вольт-амперной характеристики и когда диод имеет отрицательное сопротивление. Это позволяет создавать особые схемы на туннельных диодах, например генераторы с внутренним отрицательным сопротивлением.

Каждый электрик должен знать:  Инфракрасные обогреватели плюсы и минусы применения

Емкостные свойства р-n-перехода

Чтобы вывести зависимость величины тока через p — n-переход от внешнего смещающего напряжения V, мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи. В дальнейшем будем обозначать символом J плотность потока частиц, а символом j — плотность электрического тока; тогда je = −eJe, jh = eJh.

При V = 0 как Je, так и Jh обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При V ≠ 0 баланс нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток через обеднённый слой. Он включает следующие две компоненты:

  1. Ток генерации, то есть дырочный ток, текущий из n-области в p-область перехода. Как видно из названия, этот ток обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно в n-области обеднённого слоя при тепловом возбуждении электронов с уровней валентной зоны. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) в n-области чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в переносе тока через переход. Это происходит потому, что каждая дырка, попадающая в обеднённый слой, тут же перебрасывается в p-область под действием сильного электрического поля, которое имеется внутри слоя. В результате величина возникающего тока генерации не зависит от значения изменения потенциала в обеднённом слое, поскольку любая дырка, оказавшаяся в слое, перебрасывается из n-области в p-область.
  2. Ток рекомбинации, то есть дырочный ток, текущий из p-области в n-область. Электрическое поле в обеднённом слое препятствует этому току, и только те дырки, которые попадают на границу обеднённого слоя, имея достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер, вносят вклад в ток рекомбинации. Число таких дырок пропорционально e −eΔФ/kT и, следовательно,

В отличие от тока генерации, ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения V. Мы можем сравнить величины этих двух токов, заметив, что при V = 0 суммарный ток через переход отсутствует: Jh rec (V = 0) = Jh gen Из этого следует, что Jh rec = Jh gen e eV/kT . Полный дырочный ток, текущий из p-области в n-область, представляет собой разность между токами рекомбинации и генерации:

Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам. Поскольку электроны имеют противоположный заряд, электрические токи генерации и рекомбинации электронов совпадают по направлению с электрическими токами генерации и рекомбинации дырок. Поэтому полная плотность электрического тока есть j = e(Jh gen + Je gen )(e eV/kT − 1).

Ёмкость p — n-перехода и частотные характеристики

p — n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n— и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n— и p-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p — n-перехода. За счёт барьерной ёмкости работают варикапы.

Кроме барьерной ёмкости p — n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p — n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p — n-переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.

Суммарная ёмкость p — n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей. Эквивалентная схема p — n-перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p — n-перехода Rа включены диффузионная ёмкость Cд и барьерная ёмкость Сб; последовательно с ними включено объёмное сопротивление базы r. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p — n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, Rа шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивление p — n-перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p — n-переход теряет свои линейные свойства.

Вставьте, пожалуйста формулы для зависимости Cб от напряжения и C.

Пробой p — n-перехода

Пробой диода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой пробои.

  • Лавинный пробой (ударная ионизация) является наиболее важным механизмом пробоя p — n-перехода. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения большинства диодов. Пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.
  • Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещённую зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещённой зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряжённостью электрического поля, то есть наклоном энергетических уровней и зон. Следовательно, условия для туннелирования возникают только при определённой напряжённости электрического поля или при определённом напряжении на электронно-дырочном переходе — при пробивном напряжении. Значение этой критической напряжённости электрического поля составляет примерно 8∙10 5 В/см для кремниевых переходов и 3∙10 5 В/см — для германиевых. Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит от напряжённости электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода.
  • Поверхностный пробой (ток утечки). Реальные p-n-переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхостных зарядов между p- и n- областями могут образовываться проводящие плёнки и проводящие каналы, по которым идёт ток утечки Iут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения и может превысить тепловой ток I и ток генерации Iген. Ток Iут слабо зависит от температуры. Для уменьшения Iут применяют защитные плёночные покрытия.
  • Тепловой пробой — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче обратного напряжения практически всё оно падает на p — n-переходе, через который идёт, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся мощность вызывает разогрев p — n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. При недостаточном теплоотводе эта мощность вызывает дальнейшее увеличение тока, что приводит к пробою. Тепловой пробой, в отличие от предыдущих, необратим.

Мкость р-n-перехода

Инжекция неосновных носителей заряда в случае приложения к р-n-переходу прямого напряжения и экстракция неосновных носителей заряда в случае приложения к переходу обратного напряжения приводят к изменению по сравнению с равновесными концентраций носителей заряда вблизи перехода. Изменение величины приложенного внешнего напряжения вызывает изменение распределения избыточных носителей вблизи перехода, а следовательно, величины суммарного объёмного заряда. Это явление напоминает процессы в обычном конденсаторе, в котором изменение напряжения, приложенного к обкладкам, вызывает изменение накопленного заряда по закону ∆q=С∆U. Поэтому принято считать, что р-n-переход обладает емкостными свойствами или просто ёмкостью. Ёмкость р-n-перехода оказывает чрезвычайно важное влияние на его импульсные свойства.

Емкостные свойства р-n-перехода различны при прямом и обратном смещениях. Так, при прямом смещении они обусловлены главным образом накоплением избыточных концентраций неосновных носителей заряда в р- и n-областях и характеризуются так называемой диффузионной емкостью, которая определяется выражением

где S – площадь р-n-перехода; pn, np – равновесные концентрации дырок в n-области и электронов в р-области; Lp, Le­ – диффузионные длины дырок в n-области и электронов в р-области; U – внешнее напряжение, приложенное к р-n переходу; Т – температура полупроводника; k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона.

Из уравнения (2.1) видно, что с увеличением прямого напряжения (U>0) диффузионная ёмкость р-n-перехода быстро возрастает. При обратном смещении (U

Из выражения (2.2) следует, что барьерная ёмкость тем больше, чем выше концентрации примесей в полупроводнике и чем меньше напряжение, приложенное к переходу. Учитывать барьерную ёмкость особенно важно при достаточно больших обратных смещениях р-n перехода, так как диффузионная емкость при этом практически равна нулю. При прямом смещении барьерная емкость значительно меньше диффузионной.

Для анализа динамических процессов в р-n-переходе пользуются его эквивалентной схемой замещения, представленной на рис.2.1. Схема содержит два конденсатора Сбар и Сдиф , отражающих барьерную и диффузионную ёмкости р-n-перехода, а также два резистора Rd и Rб. Первый из них отражает электропроводность области объёмных зарядов р-n перехода, а второй – электропроводность р- и n- областей полупроводника, носящих название базы. Характерно, что все элементы в схеме на рис.2.1 являются нелинейными, их параметры зависят от величины и знака приложенного напряжения Uд.

Зависимости Сбар и Сдиф от напряжения рассмотрены выше. Сопротивление Rd при большом обратном напряжении велико, т.к. в области объёмных зарядов практически отсутствуют подвижные носители. При подаче на р-n-переход прямого напряжения область объёмных зарядов, во первых, сужается, а во вторых, обогащается подвижными носителями, что приводит к резкому снижению величины Rd.

Сопротивление Rб зависит от приложенного напряжения слабее, чем Rd. Тем не менее при обратном смещении оно больше из-за экстракции неосновных носителей, а при прямом смещении оно меньше из-за инжекции неосновных носителей в р- и n-области полупроводника.

Дата добавления: 2020-12-16 ; просмотров: 642 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Свойства p-n-перехода. Полупроводниковый диод. Принцип действия транзистора.

Свойства pn-перехода.

Примесные полупроводники

Донорная примесь: основные носители заряда — свободные электроны. Остается положительный ион примеси. Акцепторная примесь: основные носители заряда—дырки. Остается отрицательный ион примеси. В месте контактадонорного и акцепторного полупроводников возникает электронно-дырочный переход (p-n-переход).

Свойства р-п-перехода

1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси: d=10 -7 м , Dj = 0.4—0,8 В .

2. Направление внешнего поля (источника) совпадает с направлением контактного поля. Тока основных носителей заряда нет. Существует слабый токнеосновных носителей заряда. Такое включение называется обратным.

3. Прямое включение. Существует ток основных носителей заряда.

p-n-переход пропускает электрический ток только в одном направлении

(свойство односторонней проводимости).

Полупроводниковый диод

Схематическое изображение. Направление стрелки указывает направление тока.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

/, 2 участок приближенно прямолинеен -экспонента;

3 пробой диода

0,3 обратный ток;

0,1 ток меняется нелинейно.

Обратный ток обусловлен наличием неосновных носителей заряда.

Применение полупроводникового диода

Принцип действия транзистора

Направление стрелки — направление тока

На всех рисунках — p-n-p— транзисторы.

Устройство биполярного транзистора.

Основные применения: элемент усилетеля тока, напряжения или мощности; электронный ключ (например, в генераторе электромагнитных колебаний).

Переход эмиттер — база включается в прямом направлении, а база — коллектор — в обратном. Через эмиттерный переход идет большое количество основных носителей заряда. База очень тонкая. Концентрация основных носителей заряда в базе небольная. Поэтому рекомбинация электронов и дырок небольшая. Ток базы маленький. Заряды, пришедшие из эмиттера, по отношению к базе являютсянеосновными, поэтому они свободно проходят через коллекторный переход. До 95% дырок, попадающих из эмиттера в базу, проходят в коллектор. Т.е. Iэ ≈ Iб . При изменении Iэ с помощью источника переменного напря­жения одновременно почти во столько же раз изменяется Iк . Т.к. сопротивление коллекторного перехода во много раз превышает сопротивление эмиттерного, то при практически равных токах, напряжение на эмиттере много меньше напряжения на коллекторе.

Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода. Пробой и емкость p-n-перехода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:

где I – тепловой обратный ток p-n-перехода; Uд – напряжение на p-n-переходе; jт = k T/ q – тепловой по­тенциал, равный контактной разности потенциалов (jк) на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К, jт = 0,025 В); k – постоянная Больцмана; T – абсолютная темпе­ратура; q –заряд электрона.

Рис. 2.4. Вольт-амперная характе-ристика p-n-перехода и влияние температуры на прямой и обратный токи

При отрицательных напряжениях порядка 0,1…0,2 В экспонен­циальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебречь (е 4 » 0,02), при положительных напряжениях, превышаю­щих 0,1 В, можно пренебречь единицей (е 4 » 54,6). Тогда вольт-амперная характеристика p-n-перехода, будет иметь вид, приведенный на рис 2.4.

Каждый электрик должен знать:  Рейтинг производителей кондиционеров по качеству и надежности в 2020 году

По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изме­нению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n-перехода ха­рактерен режим заданного прямого тока.

Вольт-амперная характеристика (см. рис. 2.4) имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную, расположенную в третьем квадранте. Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.

При небольшом увеличении обратного напряжения от нуля обратный ток сначала возрастает до значения, равного значению теплового тока (I), а с дальнейшим увеличением Uобр ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, значение обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя (Uобр.проб) приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.

Рис. 2.5. Виды пробоя p-n-перехода: 1 – лавинный; 2 – туннельный; 3 – тепловой

Свойство p-n-перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.

Влияние температуры на прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показано штриховой линией (см. рис. 2.4). Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная – ниже. Таким образом, повышение, температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера (j) и увеличение энергии подвижных носителей зарядов.

Рассмотрим причины, вызывающие пробой p-n-перехода и процессы, которые при этом происходят.

Пробоем p-n-перехода (рис. 2.5) называют, как было сказано, резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения (Uобр.проб). Пробой p-n-перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар «свободный электрон – дырка». В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой, в свою очередь, делится на лавинный и туннельный.

Емкостные свойства p-n перехода

Кроме электропроводимости, p-n переход имеет и определённую ёмкость. Это обусловлено тем, что по обе стороны от металлургической границы могут появляться как неподвижные заряды в виде ионов примесей, так и подвижные в виде электронов и дырок.

Различают барьерную и диффузионную ёмкости.

Барьерная ёмкость Сбар обусловлена наличием в обеднённом слое противоположно заряженных ионов примесей, выполняющих роль диэлектрика, а низкоомные области (n и p) – роль “пластин’ конденсатора.

Известно, что ёмкость плоского конденсатора определяется:

где: S – площадь пластин конденсатора;

d – расстояние между пластинами (толщина диэлектрика).

Величину Сбар для резкого перехода можно определить из приближённого выражения:

где: S и d – площадь и толщина p-n перехода, соответственно.

С увеличением обратного напряжения (Uобр) барьерная ёмкость уменьшается из-за увеличения толщины перехода d.

Зависимость Сбар=f(Uобр) называется вольт-фарадной характеристикой

При подключении к p-n переходу прямого напряжения барьерная ёмкость несколько увеличивается вследствие уменьшения d. Однако в этом случае приращение зарядов за счёт инжекции играет большую роль и теперь ёмкость p-n перехода определяется, в основном, диффузионной составляющей ёмкости.

Диффузионная ёмкость Сдиф. характеризует накопление неравновесных зарядов (неосновных носителей) по обе стороны металлургической границы. Так как время жизни электронов и дырок до наступления рекомбинации конечно, то по обе стороны металлургической границы появляются дополнительные объёмные заряды, величина которых для малых приращений напряжений линейно увеличивается при увеличении прямого тока Iпр:

График изменения тока через p-n переход при

Uобр изменении полярности напряжения

При прямом токе, как правило Сдиф. > Сбар.

Результирующая ёмкость равна:

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним электрическим переходом, который, в большинстве случаев, является переходом p-n типа. Как правило такой переход размещён в герметичном корпусе(металлическом, пластмассовом или металлостеклянном) и имеет два вывода.

По функциональному назначению диоды делят на следующие основные группы:

1. Выпрямительные (в том числе силовые);

11. Генераторы шума и др.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n переходов: низкоомная область – эмиттер; высокоомная область – база. Используютp-i, n-iпереходы, а также переходы металл-полупроводник (переходы Шоттки).

Идеализированная вольт-амперная характеристика диода описывается уравнением Шокли:

Реальные ВАХ отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что I зависит как от материала полупроводника, так и температуры. У диодов на основе Ge – Iобр≈ I, на основе Si – I ≪ Iобр.

Прямая ветвь ВАХ зависит от степени несимметрии p-nперехода и др.

На практике сложно и не всегда целесообразно выделять составляющие, которые искажают идеализированную ВАХ.

Условное графическое обозначение (УГО):

РАБОЧИЙ РЕЖИМ ДИОДА.

В практических схемах в цепь диода включается нагрузка и электродвижущая сила:

Прямой ток Iпр в такой схеме может протекать когда на анод подан положительный потенциал. Направление прямого тока указывает остриё стрелки ►.

Режим диода с нагрузкой называется рабочим. Анализ уравнения Шокли показывает, что зависимость Iпр от Uпр является нелинейной, а значит закон Ома даже для такой цепи не может быть применён.

Действительно, расчёт цепи по закону Ома может сводиться к определению Iпр по формуле:

Поэтому для такой цепи применяется графоаналитический метод.

Как правило задача состоит в следующем:

Известно: Е, Rн, и ВАХ диода.

1. На оси ординат определяется точка при коротком замыкании диода (

2. На оси абсцисс определяется точка при ( ,тогда Uд =Uпр =E (точка В);

3. Прямая, проходящая через т.А и т.В пересекает ВАХ в т.С (рабочая точка);

4. Проекция точки С: на ось Iпр даёт Iпр.с;

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Is — ток насыщения, Uпр — напряжение пробоя.

Чтобы вывести зависимость величины тока через p-n-переход от внешнего смещающего напряжения V, мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи. В дальнейшем будем обозначать символом J плотность потока частиц, а символом j — плотность электрического тока; тогда

je = ?eJe, jh = eJh.

При V = 0 как Je, так и Jh обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При V ? 0 баланс нарушается.

Ёмкость p-n-перехода и частотные характеристики

p-n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и p-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p-n-перехода. За счёт барьерной ёмкости работают варикапы.

Кроме барьерной ёмкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p-n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p-n-переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.

Эквивалентная схема p-n-перехода. Cб — барьерная ёмкость, Cд — диффузионная ёмкость, Ra — дифференциальное сопротивление p-n-перехода, r — объёмное сопротивление базы.

Суммарная ёмкость p-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей. Эквивалентная схема p-n-перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n-перехода Rа включены диффузионная ёмкость Cд и барьерная ёмкость Сб; последовательно с ними включено объёмное сопротивление базы r. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p-n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, Rа шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивление p-n-перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n-переход теряет свои линейные свойства.

Полупроводниковый диод

полупроводниковый диод варикап напряжение

Варикап является частным случаем полупроводникового диода. Поэтому рассмотрим сначала устройство, структуру и краткую теорию полупроводникового диода.

Полупроводниковый диод — это схемный элемент с одним р-n переходом, имеющий два омических вывода. Основой полупроводникового диода является электронно-дырочный переход или р-п переход, создаваемый в объеме полупроводника. Он представляет собою тонкий переходный слой между двумя областями с дырочной (р) и электронной (п) проводимостями одного и того же монокристалла полупроводника. Толщина р-п перехода составляет обычно несколько микрон или нескольких десятых долей микрона и зависит от параметров полупроводника и от способа создания перехода.

Один из наиболее распространенных способов изготовления полупроводниковых диодов следующий. На поверхности пластины кристалла кремния (Si) (рисунок 1 а) с электронной проводимостью (n-типа) площадью 2-4 мм2 и толщиною в несколько десятых долей миллиметра расплавляют маленький кусочек индия (In). Индий играет роль донора: его атомы диффундируют на небольшую глубину в кристалл пластины и образуют тонкую область с дырочной проводимостью (р-типа). Между двумя областями полупроводника с различными типами проводимостей возникает p-n-переход. Одна из областей р-n структуры с проводимостью p типа, называется эмиттером. Эмиттер имеет бульшую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой. На базу — пластину кристалла с проводимостью п-типа напыляют металлический слой, к которому припаивается вывод. Второй вывод аналогично припаивается к эмиттеру. После этого диод помещается в корпус. Диоды, полученные подобным образом называют сплавными или плоскостными.

Рисунок 1 — Структура полупроводникового диода, полученного методом сплавления (а), схемное обозначение полупроводникового диода (б) и схемное обозначение варикапа (в).

Схемное обозначение полупроводникового диода показано на рисунке 1 б. В основе символа положена стрелка, указывающая направление прямого тока через диод. В символе варикапа (рисунке 1 в) помимо символа диода, просматриваются две параллельные пластины — символ конденсатора, напоминающий о емкости диода.

р-n-переход полупроводникового диода

Емкостные свойства плоскостного диода обусловлены наличием внутреннего электрического поля в р-п переходе. Рассмотрим причины образования этого поля.

На рисунке 2 показано пространственное распределение дырок — *, электронов — O, ионов акцепторов — и ионов доноров — в двух изолированных кристаллах полупроводника разного типа проводимости (p- и n-типа) вдоль кристаллов по координате х.

Рисунок 2 — Внизу — два примесных кристалла (слева) p- и (справа) n-типа. Вверху: распределение концентраций зарядов по координате х этих изолированных кристаллов. Здесь: Na- концентрация ионов акцепторов; Nд-концентрация ионов доноров; рр- концентрация дырок в кристалле p-типа; nр- концентрация электронов в кристалле p-типа; рn- концентрация дырок в кристалле n-типа; nn- концентрация электронов в кристалле n-типа.

До соприкосновения кристаллов дырки * и отрицательные ионы примеси (акцепторы) в p-области распределены равномерно. Кроме того, в p-области имеется небольшое количество равномерно распределенных свободных электронов. Концентрации акцепторов Na и дырок pp в p-области практически одинаковы и много больше концентрации электронов np. Аналогично в кристалле n типа электроны O и положительно заряженные ионы примеси (доноры) распределены равномерно, как и небольшое количество дырок. Концентрации доноров Nд и электронов nn практически одинаковы и много больше концентрации дырок pn.

Рассмотрим процессы, протекающие при контакте двух полупроводников с различными типами проводимости (рисунок 3). Электрические переходы нельзя создать путем механического контакта двух областей с разными физическими свойствами (но при рассмотрении физических процессов такую абстракцию можно использовать). Это объясняется тем, что поверхности кристаллов обычно загрязнены оксидами и атомами других веществ. Кроме того, между кристаллами существует воздушный зазор, устра-нить который при механическом контакте практически невоз-можно.

Каждый электрик должен знать:  Причины увеличения расхода электроэнергии счетчик или проводка

Рисунок 3 — Распределение концентраций заряда в идеализированном p-n-переходе. Здесь: Na — концентрация ионов акцепторов; Nд-концентрация ионов доноров; рр- концентрация дырок в p-области кристалла; nр- концентрация электронов в p-области кристалла; рn- концентрация дырок в n-области кристалла; потенциалов; Е — напряженность электрического поля; lp-n — ширина p-n-перехода.

На границе p- и n- областей кристалла образуется градиент концентраций свободных носителей заряда: концентрация электронов и концентрация дырок по разные стороны от границы раздела значительно отличаются. В результате этого возникает диффузия свободных зарядов: электроны из n-области переходят в p-область и рекомбинируют с дырками, а дырки из р-области переходят в n-область и рекомбинируют с электронами.

Ток, обусловленный наличием градиентов концентрации дырок др/дх и свободных электронов дп/дх называется диффузионным током. Он направлен в сторону меньшей концентрации. Дырки из p-области диффузионно перемещаются в n-область, а электроны диффундируют из n-области в p-область. Движение электронов соответствует противоположному направлению тока. Поэтому дырочный ток диффузии и электронный ток диффузии совпадают по направлению.

В результате диффузии в области p-n-перехода концентрация свободных электронов и дырок убывает почти до нуля. Электрическая нейтральность полупроводника нарушается. С одной стороны, электроны и дырки переходя через границу раздела, оставляют после себя неподвижные ионы доноров и акцепторов, а с другой стороны, увеличивается концентрация электронов в р-области и концентрация дырок n-области.

В р-области вблизи ее контакта с n-областью образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n-области — положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Области пространственных зарядов на рисунке 3 заштрихованы. Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов цк и электрическое поле с напряженностью Е . Это поле огромной напряженности (Е ? 106 В/м) препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход и она практически прекращается.

Емкостные свойства р-n-перехода

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА р-n ПЕРЕХОДА

В общем виде вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-n перехода (рис. 1.10) представляется экспоненциальной зависимостью

(1.11)

где I — обратный ток. Этот ток имеет небольшие величины (мкА или нА), но довольно сильно увеличивается при повыше­нии температуры. Подробно I рассмотрим далее.

Из (1.11) следует, что при прямом смещении (U > 0) ток через р-п переход возрастает, а при обратном смещении (U 0,1В, в формуле (1.11) можно пренебречь единицей по сравнению с экспонентой. Таким образом, р-п переход характеризуется свойством односторонней электропроводности, т. е. хорошо проводит ток в прямом на­правлении и плохо в обратном. Следовательно, р-п переход обладает выпрямляющим действием, что позволяет использовать его в качестве выпрямителя переменного тока.

Важным параметром р-п перехода является его дифференциальное сопротивление rд. Формулу для определения rд прямой ветви ВАХ получим из (1.11):

(1.12)

C ростом тока дифференциальное сопротивление р-п перехода быстро падает. При токах порядка единиц и десятков миллиампер rД состав­ляет десятки и единицы Oм.

При расчете выпрямительных устройств часто пользуются другим параметром р-п перехода — сопротивлением постоянному току Rст.

Из формулы (1.11) довольно просто получить зависимость Rст от рабочего тока:

При прямом смещении р-п перехода (при протекании прямого тока) Rст всегда больше сопротивления rд.

Поскольку на р-п переходе при больших токах может выделяться достаточно большая мощность, температура перехода при этом может заметно превысить температуру отдельных областей полупроводникового элемента и окружающей среды.

Тепловой баланс в полупроводниковой структуре устанавливается через некоторое время после включения тока и определяется теплопроводностью отдельных частей структуры. С целью повышения максимально допустимой мощности, выделяемой на р-п переходе, прежде всего следует улучшить теплообмен с окружающей средой. Более подробно вопрос теплового режима будет рассмотрен в гл. 3.

При прямом смещении р-п перехода его идеализированная ВАХ согласно (1.11) представляется однородной экспонентой. Однако реальная характеристика имеет несколько более сложную форму: состоит из нескольких участков с разными на­клонами. Отличия реальной ВАХ от идеализированной опреде­ляются несколькими причинами.

Первая причина обусловлена процессами рекомбинации в i-области р-п перехода. Она имеет место при малых прямых смещениях. В этом случае ∆φ еще велика, следовательно, имеет место малый уровень инжекции, т. е. в i-область из эмиттера и базы попадает малое число носителей заряда. При таком малом положительном смещении ширина перехода l еще довольно большая — объем i-области еще достаточно велик, следователь­но, в ней присутствует относительно много ловушек. Таким об­разом, за счет большого числа ловушек создаются очень благо­приятные условия в i-области для рекомбинации малого числа инжектированных носителей.

В рассмотренном случае ВАХ формируется за счет тока ре­комбинации, который тоже имеет экспоненциальную зависи­мость от напряжения, но более пологую, чем по (1.11). За счет такого пологого начального участка вид прямой ветви реальной ВАХ становится таким, как показано на рис. 1.11. На этом ри­сунке представлен параметр UП, называемый напряжением «пятки». Хотя на сегодняшний день и нет четкого определения для этого параметра, он часто используется для прикидочных расчетов радиоэлектронных устройств. Будем несколько услов­но считать, что UП — это напряжение на р-п переходе, при ко­тором I = 0,1 мА. Нетрудно заметить, что чем больше ∆φ и l (чем шире ε3), тем должно быть больше и UП. Следовательно, у кремниевых р-п переходов UП больше, чем у германиевых, и меньше, чем у переходов из арсенида галлия (рис. 1.11). Следует отметить, что в формирование величины UП определенный вклад вносит и ток I.

Другая причина отличия реальной ВАХ от формы (1.11) об­условлена падением напряжения на объемном сопротивлении базы. Эта причина проявляется при достаточно больших токах. Заметим, что сопротивление базы rб в реальных р-п переходах обычно составляет единицы или десятки Ом. Падение напряже­ния на этом сопротивлении Irб является той поправкой, которую следует ввести в формулу (1.11), чтобы учесть различие между напряжением на самом запорном слое р-п перехода и величиной внешнего напряжения U. С учетом такой поправки получаем

(1.13)

Падение напряжения на rб приводит к появлению на ВАХ участка, называемого омическим. При больших токах значение ∆φ становится небольшим, сопротивление обедненного слоя уменьшается и уже оказывается малосущественным, следовательно, в таком случае можно рассматривать р-п переход как простую двухслойную пластину, сопротивление которой приближенно равно сопротивлению ее высокоомного слоя rб э«ρб). Необходимо отметить, что учитывать падение напряжения на rб необходимо для значительного, иногда даже основного, рабоче­го участка ВАХ р-п перехода.

Еще одна причина отличия реальной ВАХ от идеализирован­ной обусловлена модуляцией сопротивления базы при больших уровнях инжекции. Протекание больших токов определяется инжекцией большого числа носителей заряда из эмиттера в базу. В результате присутствия в базе большого числа неосновных носителей заряда ее объемное сопротивление уменьшится. Это обстоятельство делает необходимым учет влияния rб = f(I) в формуле (1.13) для больших уровней инжекции.

Обратная ветвь ВАХ р-п перехода определяется обратным то­ком, который, как отмечалось выше, обычно довольно сильно возрастает при повышении температуры. Не останавливаясь здесь на анализе обратной ветви, рассмотрим влияние темпера­туры на прямую ветвь ВАХ р-п перехода. Температурная зависимость прямой ветви ВАХ согласно (1.11) определяется измене­ниями I и φт . Заметим, что при больших токах необходимо со­гласно (1.13) также учитывать изменение rб. Влияние этих температурно-зависимых параметров на ВАХ приводит к тому, что при малых прямых напряжениях ток возрастает с повышением температуры, а при больших — уменьшается. В принципе су­ществует даже точка (область), где величина тока практически не зависит от температуры. Однако эта термостабильная точка редко используется на практике, поскольку имеет место при до­статочно больших уровнях инжекции. Для большинства же ре­альных устройств ток в р-п переходе несколько возрастает с по­вышением температуры (при постоянном напряжении).

На практике чаще всего принято оценивать влияние темпера­туры на ВАХ р-п перехода, определяя изменение напряжения при постоянном токе. Для оценки изменения прямого напряже­ния при изменении температуры вводится температурный коэф­фициент напряжения (ТКН), характеризующий сдвиг ВАХ по оси напряжений. Обычно ТКН имеет отрицательный знак, что знаменует собой уменьшение напряжения на р-п переходе при постоянном токе с ростом температуры. Отметим, что ТКН зависит от тока и несколько уменьшается с его ростом. Для р-п переходов из кремния ТКН достигает — 3 мВ/град.

1.1.3. Р-n-переход и его свойства

Тонкий слой полупроводника между двумя областями, одна из которых представляет полупроводник p-типа, а другая n-типа, называют р-n-переходом. Концентрации основных носителей заряда в р- и n-областях могут быть равны или существенно различаться. В первом случае р-п-переход называют симметричным, во втором – несимметричным. Чаще используют несимметричные переходы.

Пусть концентрация акцепторной примеси в p-области больше, чем концентрация донорной примеси в n-области (рис. 1.3, а). Соответственно, концентрация дырок (светлые кружки) в р-области будет больше, чем концентрация электронов (черные кружки) в n-области.

За счет диффузии дырки из p-области и электроны из n-области стремятся равномерно распределиться по всему объему. Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентраций по всему объему кристалла. Однако этого не происходит. Дырки, переходя из p-области в n-область, рекомбинируют с частью электронов, принадлежащих атомам донорной примеси. В результате оставшиеся без электронов положительно заряженные ионы донорной примеси образуют приграничный слой с положительным зарядом. В то же время уход этих дырок из p-области приводит к тому, что атомы акцепторной примеси, захватившие соседний электрон, образуют нескомпенсированный отрицательный заряд ионов в приграничной области. Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов из n-области в p-область, приводящее к тому же эффекту. В результате на границе, разделяющей n-область и p-область, образуется узкий, в доли микрона, приграничный слой, одна сторона которого заряжена отрицательно (p-область), а другая – положительно (n-область).

Рис. 1.3. Р-n-структура:

а – в равновесном состоянии; б – при прямом внешнем напряжении; в – при обратном внешнем напряжении; l – ширина р-n-перехода

Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов UK (см. рис. 1.3, а), или потенциальным барьером, преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие к границе со стороны р-области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подошедшие из n-области, – отрицательным зарядом. Таким образом, образуется р-n-переход, представляющий собой слой полупроводника с пониженным содержанием носителей – так называемый обедненный слой, который имеет относительно высокое электрическое сопротивление.

Свойства р-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение. Если внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов (рис. 1.3, б), то дырки р-области, отталкиваясь от приложенного положительного потенциала внешнего источника, приближаются к границе между областями, компенсируют заряд части отрицательных ионов и сужают ширину р-п-перехода со стороны р-области. Аналогично этому, электроны n-области, отталкиваясь от отрицательного потенциала внешнего источника, компенсируют заряд части положительных ионов и сужают ширину р-n-перехода со стороны n-области. Потенциальный барьер сужается, через него начинают проникать дырки из p-области и электроны из n-области и через р-n-переход начинает течь ток.

С увеличением внешнего напряжения ток возрастает неограниченно, так как создается основными носителями, концентрация которых постоянно восполняется источником внешнего напряжения.

Полярность внешнего напряжения, приводящая к снижению потенциального барьера, называется прямой, или открывающей, а созданный ею ток – прямым. При подаче такого напряжения р-n-переход открыт.

Если к р-n-структуре приложить напряжение обратной полярности (рис. 1.3, в), то эффект будет противоположным. Под действием электрического поля источника дырки p-области смещаются к отрицательному потенциалу внешнего напряжения, а электроны n-области – к положительному потенциалу. Таким образом, основные носители зарядов отодвигаются внешним полем от границы, увеличивая ширину р-н-перехода, который оказывается почти свободным от носителей заряда. Электрическое сопротивление р-н-перехода при этом возрастает. Такая полярность внешнего напряжения называется обратной, запирающей. При подаче такого напряжения р-н-переход закрыт.

Тем не менее при обратном напряжении наблюдается протекание небольшого тока Iобр. Этот ток, в отличие от прямого, определяется носителями не примесной, а собственной проводимости, образующейся в результате генерации пар «свободный электрон–дырка» под воздействием температуры. Эти носители обозначены на рис. 1.3, в единственным электроном в p-области и единственной дыркой в n-области. Значение обратного тока практически не зависит от внешнего напряжения. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «свободных электрон–дырка» при неизменной температуре остается постоянным, и даже при Uобр в доли вольта все носители участвуют в создании обратного тока.

При подаче обратного напряжения р-n-переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются р- и n-области, разделенные диэлектриком. Роль диэлектрика выполняет приграничная область, почти свободная от носителей заряда. Эту емкость p-n-перехода называют барьерной. Она тем больше, чем меньше ширина р-n-перехода и чем больше его площадь.

Добавить комментарий