Случай тонкой базы19

Во многих полупроводниковых приборах одна из областей p-n перехода (pили n) может иметь малую протяжённость. Степень малости устанавливается сравнением величинWи L.

Случай тонкой базы соответствует условию . В этом случае, инжектированные в n-область неравновесные дырки не успевают прорекомбинировать в n- области и доходят до внешнего контакта. Свойства этого контакта таковы, что скорость рекомбинации неравновесных носителей на нём очень велика(специально сделано так).

Рис. P-n переход с тонкой базой.

Поэтому на границе этого контакта все неравновесные носители на нём рекомбинируют, что определяет граничные условия для уравнения диффузии:

1) , . Тогда

2) При :

Решаем: , тогда .

Отсюда .

В случае очень тонкой базы, когда , реально для малого аргумента , тогда .

То есть получается почти линейное распределение носителей. Обычно, когда говорят о тонкой базе, то имеют в виду именно линейное распределение носителей. Таким образом, в зависимости от протяженности области, в которую инжектируются носители, их закон распределения изменяется от экспоненциального до линейного.

Рис. Распределение неравновесных носителей в тонкой базе

Обратное смещение р—n- перехода²⁰

При обратном смещении р—n- перехода источник внешне­го напряжения Uподключается плюсом к области n, а мину­сом— к области р (рис. 2.6,а). При такой полярности внеш­него напряжения электрическое поле источника увеличивает поле в переходе. В результате потенциальный барьер обратносмещенного р—n- перехода увеличивается на величину внешнего напряжения и становится равным (рис. 2.6,б)

(2.14)

Увеличение высоты потенциального барьера приводит к резкому уменьшению диффузионной составляющей тока ос­новных носителей. Электроны в области п и дырки в области р не имеют достаточной тепловой энергии для преодоления барьера, превышающего на величину, даже мень­шую 1 В, и отражаются от барьера назад. В то же время для неосновных носителей потенциального барьера не существу­ет, и они, попадая на границу области объемного заряда, захватываются его полем и перебрасываются в противопо­ложные области. Т. е. при обратном смещении ток через р—n- переход определяется только неосновными носителями. Концентрация неосновных носителей на границе перехо­да, как и при прямом смещении, определяется высотой по­тенциального барьера , т. е. для области n

Рис. 2.6. Структура (а) и зонные диаграм­мы (б) р—n- перехода при обратном сме­щении

. (2.15,a) Аналогично для области р

. (2.15,б)

При . Поэтому, если к р—n- переходу приложено даже небольшое обратное напряжение, например , то можно считать, что и ²¹. Т.е.в широком диапазоне обратных напряжений , , и распределение концентрации неосновных носите­лей на границе р—n-перехода соответствует рис. 2.7. При обратном смещении происходит как бы отсасы­вание неосновных носителей от границ перехода. Такой процесс удаления носителей от перехода называется экстракцией носителей.

Рис. 2.7. Распределение концентрации неосновных носителей в пограничных областях обратносмещенного р—n- перехода²²

Обратное смещение увеличивает электрическое по­ле в области объемного за­ряда перехода, что вызывает увеличение ширины р—n- перехода. Например, для резкого р—n- перехода

.

Лекция № 6

Содержание по учебному плану:Контактные явления в полупроводниках. Электронно-дырочный переход.Вольтамперная характеристика идеализированного р-n перехода. Особенности ВАХ реальных р-n переходов.Пробой р-n перехода. Виды и механизмы пробоя р-n перехода. Барьерная и диффузионная емкости р-n перехода. Области применения.

Уравнение статической вольт-амперной характеристики р—n-перехода²³

Статическая вольт-амперная характеристика р—n- перехода устанавливает связь между постоянными или медленно меняющимися значениями тока I через переход и напряже­нием Uна нем. Вид этой характеристики определяется со­вокупностью ряда физических процессов в окрестности кон­такта р- и n- областей. Строгий анализ этих процессов для реальных р—n- переходов достаточно сложен. Для упрощения задачи обычно рассматривают идеализированную одномер­ную модель р—n- перехода без учета влияния поверхности, внешних омических контактов, процессов генерации и ре­комбинации носителей в области объемного заряда перехода и др²⁴. Учет этих эффектов проводится дополнительно, путем коррекции полученного уравнения вольт-амперной характе­ристики идеализированного р—n-перехода.

Рис. 2.8. Составляющие прямого тока р—п- перехода²⁵

Полный ток, протекающий через р—n- переход, можно ус­ловно разбить на несколько составляющих (рис. 2.8).

Неравновесные неосновные носители, появляющиеся около р—n-перехода за счет инжекции, диффундируют вглубь р- и n- областей и там рекомбинируют. Ток инжекции, переноси­мый этими носителями, имеет чисто диффузионный характер и его величина определяется законом распределения носите­лей. Закон распределения инжектированных носителей опи­сывается уравнениями, (2.12,а) и (2.12,б). Тогда плотность диффузионного тока, переносимая инжектированными дыр­ками, в n- области

(2.17,a)

а плотность тока, переносимая инжектированными электро­нами в р- области:

(2.17,б)²⁶

Уменьшение инжектированного тока с расстоянием явля­ется следствием рекомбинации неравновесных неосновных носителей по мере диффузии их от перехода. Исчезновение основных носителей за счет рекомбинации их с неравновес­ными неосновными носителями восполняется внешним источ­ником через контакты к р- и n- областям. Составляющая тока основных носителей, идущих на рекомбинацию, называется рекомбинационным током ( , на рис. 2.8). Очевидно, что рекомбинационный ток изменяется обратно инжектиро­ванному.

Кроме этих двух составляющих тока, в каждой из обла­стей протекают постоянные токи основных носителей, кото­рые идут на инжекцию в противоположные области.

Сумма всех этих токов и определяет полный ток через р—n-переход.

На границе перехода( ,рис. 2.8) полный ток имеет только две составляющие: инжектированный ток электронов и дырок. Следовательно, умножая плотность тока в этом мес­те на площадь перехода S, получим уравнение вольт-ампер­ной характеристики р—n-перехода в виде

(2.18)

где (2.19)

называют обратным или тепловым токомр—n-перехода.

Уравнение (2.18) показывает, что при прямом смещении р—n- перехода U>0 и ток имеет экспоненциальную зависи­мость от напряжения, а при обратном смещении U<0 и при и почти не за­висит от напряжения (рис. 2.9). Прямые токи переходов могут на несколько порядков превышать их обратные токи. Поэтому р—n-переход обладает вентильнымисвойствами: имеет высокую про­водимость при прямой полярно­сти приложенного напряжения и высокое сопротивление при об­ратной полярности напряжения.

Рис.2.9. Статическая вольт-амперная характеристика р—п- перехода