Поверхностный пробой56

На поверхности полупроводника всегда существует поверхностный заряд, как правило, положительный. Этот заряд может изменить напряжённость электрического поля и ширину области объёмного заряда в месте выхода p-n перехода на поверхность.

Например, если поверхностный заряд положительный, то электроны из объёма полупроводника будут подтягиваться этим зарядом к поверхности. Когда за счёт увеличения концентрации электронов в приповерхностном слое они будут компенсировать заряд положительных ионов в области объёмного заряда n- области. В результате ширина p-n перехода в приповерхностном слое уменьшается, это приводит к уменьшению приповерхностного слоя. Обратная ветвь ВАХ будет иметь такой же вид как при лавинном и туннельном пробое, но напряжение будет меньше, а пробой будет иметь поверхностный характер.

Рис. Поверхностный пробой

Частотные и импульсные характеристики р—n- переходов57

Изменение внешнего напряжения на переходе приводит к изменению заряда нескомпенсированных ионов примеси в приконтактной области перехода. Поэтому переход на пере­менном сигнале ведет себя подобно емкости. Эту емкость называют барьерной, так как она связана с образованием потенциального барьера между р- и n- областями перехода. Величина барьерной емкости по общему определению емко­сти равна

. (2.25)

Для резкого р—n- перехода полный заряд нескомпенсирован­ных ионов примеси в переходе определится как

,⁵⁸

где S — площадь р—n- перехода. Тогда барьерная емкость резкого р—n-перехода определится как

. ⁵⁹ (2.26)

Для плавного перехода с линейным распределением примеси барьерная емкость равна

.⁶⁰ (2.27)

Как следует из уравнений (2.26) и (2.27), барьерная емкость р—n-перехода увеличивается с увеличением степени легиро­вания р- и n-областей и нелинейно зависит от внешнего на­пряжения. Уменьшение барьерной емкости с ростом обрат­ного напряжения объясняется расширением области объем­ного заряда р—n-перехода, что можно отождествить с уве­личением толщины диэлектрика между обкладками плоского конденсатора. Качественная картина зависимости барьерной емкости от напряжения на переходе показана на рис. 2.13.⁶¹

При изменении прямого напряжения на переходе в обла­стях, прилегающих к р—n- переходу, изменяются концентра­ция инжектированных носителей и величина заряда, обуслов­ленного этими носителями (рис. 2.4 и 2.5). Это изменение заряда подвижных носителей в пограничных слоях р- и n-областей перехода отождествляется с наличием диффузион­ной емкости перехода . Величина прямо пропорциональ­на прямому току перехода и уменьшается с уменьшением времени жизни носителей .⁶²

Рис. 2.13. Зависимость барьер­ной емкости p—n- перехода от напряжения	Рис. 2.14. Эквивалентная схема р—п- перехода в области высоких частот

Емкостные свойства р—n-переходов учитываются при ана­лизе его работы в области высоких частот. При этом можноиспользовать эквивалентную схему р—n- перехода, показан­ную на рис. 2.14. На этой эквивалентной схеме r— сопротив­ление объемов р- и n- областей; r_п— сопротивление перехода; — емкость перехода. При отпирающем смещении перехода и, а при запирающем смещении и .

Рис. Диффузионная ёмкость

11эВ=e·U, e=q=-1,6·10^-19Кл, U=1В.

2 В.А. Циганков Физика полупроводников и полупроводниковых приборов. СФ МЭИ, 1980г. с.37-42

3

4 для Ge В, для Si В.

5 Дополнительный материал

6 Дополнительный материал

7 В.А. Циганков Физика полупроводников и полупроводниковых приборов. СФ МЭИ, 1980г. с.42-47

8 Для равновесного состояния

9 Эти уравнения справедливы и для неравновесного состоянияp-nперехода.

10 x=0

11

12 Степень несимметричностиp-nперехода характеризуется коэффициентами инжекции и

13 1)Так какU=const, то , . и . 2)Рассматриваем случай низкого уровня инжекции, то есть , . 3) Pи n – области легированы однородно. Из условий 2 и 3 следует, что в pи n областях нет электрического поля, то есть движение неравновесных носителей в этих областях чисто диффузионное, а значит уравнение непрерывности для неравновесных носителей будет уравнением диффузии, например, для дырок в n-области.

14 Эти условия могут соответствовать двум реальным случаям – случаю протяженной (толстой базы) и случаю тонкой базы. Рассмотрим случай толстой базы

15 В глубине области концентрация носителей становится равновесной, так как , то , а, следовательно, и

16 . Получаем

17 Очевиден физический смысл диффузионной длины L– определяет скорость спада за счёт диффузии и рекомбинации концентрации неравновесных носителей. Чем больше и больше коэффициент диффузии D, тем больше L и тем быстрее спадает концентрация неравновесных носителей до равновесной. L – численно равна расстоянию, на котором вследствие диффузии и рекомбинации концентрация носителей уменьшается в eраз.

18 Таким образом . Тогда . То есть инжекция в p и n областях неравновесных неосновных носителей сопровождается появлением в этих областях неравновесных основных носителей и так как , то в линейном масштабе распределение неравновесных электронов и дырок будет одинаково – см. рис.2.5. Но так как концентрации основных и неосновных носителей резко различаются и , то в логарифмическом масштабе распределение будет иметь вид:

Рис. Распределение концентрации не­равновесных носителей в прямосмещенном р—n- переходе (логарифмический масштаб)

19 Дополнительный материал

20 В.А. Циганков Физика полупроводников и полупроводниковых приборов. СФ МЭИ, 1980г. с.47-48

21 При обратном смещении .

22 . При : , , следовательно . При : , . Тогда , то есть

23 В.А. Циганков Физика полупроводников и полупроводниковых приборов. СФ МЭИ, 1980г. с.49-51

24 Ширина области объёмного заряда так мала, что генерацией и рекомбинацией в ней можно пренебречь, всё внешнее напряжение приложено к области объёмного заряда, а на объёмах p-nобластей падения напряжения нет, pи n области достаточно протяжённые, так что неравновесные носители не доходят до внешних контактов и исчезают только за счёт объёмной рекомбинации.

25 Очевидно, что в установившемся режиме ток, протекающий через все области p-n перехода (внешние контакты, область объемного заряда, объёмы pи nобластей) всюду одинаков, иначе носители тока где-то накапливались бы или рассасывались. Поэтому если найти ток, протекающий сквозь какую-либо площадку, то этот ток будет равен внешнему току p-n перехода.

26 Знак «плюс» обусловлен тем, что электроны инжектируются из n- области в p- область, то есть в направлении отрицательных значений x, что необходимо учитывать при нахождении градиента концентрации инжектированных носителей.

27 В.А. Циганков Физика полупроводников и полупроводниковых приборов. СФ МЭИ, 1980г. с.51-53

28 Следовательно, , а так как , то при максимальной степени легирования pи nобластей: , . Обычно степень легирования pи nобластей не максимально возможная, поэтому ,

29 Для несимметричных p-nпереходов, например, , тогда . Для несимметричных p-n переходов обратный ток определяется неосновными носителями низколегированной (высокоомной) области.

30 Обратный ток тем меньше, чем больше ширина запрещённой зоны полупроводника , тогда , - при прочих равных условиях и различаются на шесть порядков. В реальных условиях эта величина меньше, но всё равно очень значительна.

31 Так как , , и от температуры зависят слабо, то , где - от температуры зависит слабо. На практике величина при некоторой температуре обычно известна, тогда: .

. В области естественных температур произведение меняется не очень сильно, поэтому и . Для Si: . Рабочие температуры до . Для Ge: . Рабочие температуры до . Для быстрых прикидок обратного тока степень eзаменяют степенью числа 2: , где - температура удвоения обратного тока. ,

С ростом температуры высота уменьшается, причём примерно по линейному закону, следовательно, для получения одного и того же тока при большей температуре, необходимо меньшее напряжение , где - температурный коэффициент напряжения ТКН. Для Geи Si: . Если зафиксировать ток через p-nпереход, то U с изменением температуры изменяется стабильно – датчик температуры.

32 В.А. Циганков Физика полупроводников и полупроводниковых приборов. СФ МЭИ, 1980г. с.53-55

33 Ширина области объёмного зарядаможет быть сравнима с протяжённостью p-n областей.

34

Рис. Возникновение тока термогенерации, обусловленного генерацией носителей в области объёмного заряда.

35 Зависимость от температуры тока термогенерации , такая же как и , так как скорости генерации определяются ( токи пропорциональны и зависят от ).

36 Поверхностную проводимость можно учесть введением некоторого сопротивления утечки , включенного параллельно p-n переходу. При прямом смещении p-nперехода при заметном прямом токе, сопротивление p-nперехода много меньше и его влиянием при прямом смещении можно пренебречь. При обратном смещении сопротивление перехода резко возрастает и может быть сравнимо с , то есть ток может быть сравним с . Обычно носит омический характер.

Рис. Поверхностная проводимость.

37

38

При малых токах быстрее растёт логарифмическая составляющая, а при больших токах линейная составляющая превышает логарифмическую, поэтому в области больших токов падение напряжения на p-n переходе больше, чем у идеализированного p-n перехода.

При больших токах сопротивление уменьшается за счёт увеличения в объёмах pи nобластей концентрации неравновесных носителей. Поэтому вторая составляющая Uнелинейная.

39 В.А. Циганков Физика полупроводников и полупроводниковых приборов. СФ МЭИ, 1980г. с.55-57

40 При некотором критическом для данного p-nперехода напряжении – напряжении пробоя.

41 Кроме того: поверхностный вид пробоя. Независимо от механизма начинаются в области объёмного заряда, на границе p-n областей, там где напряжённость поля Eмаксимальна.

42 Мощность рассеиваемая на p-nпереходе

43 Увеличение температуры p-n перехода определяется качеством теплоотвода, который характеризуется тепловым сопротивлением в расчёте на единицу мощности выделяющуюся в нём, то есть рассеивающаяся на переходе мощность повышает температуру перехода на величину . Разогрев перехода приводит к увеличению концентрации неосновных носителей, а значит и росту обратного тока.

44 Если , то ток через p-nпереход начинает возрастать лавинообразно, то есть наступает пробой p-n перехода.

45 При развитии теплового пробоя концентрация носителей повышается настолько, что сопротивление p-n перехода начинает уменьшаться, что приводит к уменьшению падения напряжения на нём и на участке теплового пробоя появляется участок отрицательного дифференциального сопротивления.

46 Другие три вида пробоя начинают развиваться, когда увеличивает электрическое поле в области объёмного заряда до некоторой предельной для данного полупроводника напряженности.

Среднее значение напряженности E в области объёмного заряда зависит не только от , но и от ширины области объёмного заряда. , поэтому с увеличением степени легированияpи nобластейтак как уменьшается, то достигается при меньшем . Таким образом, напряжение туннельного, лавинного и поверхностного пробоя уменьшается при увеличении степени легирования pи nобластей.

47 Возникает в относительно низколегированных p-n переходах. В таких переходах , где - длина свободного пробега носителей между очередными столкновениями с атомами кристаллической решётки полупроводника. На длине при носители приобретают энергию достаточную для разрыва ковалентных связей, то есть большую . При столкновении таких носителей с атомами кристаллической решётки рождается новая пара электрон-дырка. Эти носители, разделяясь полем области объёмного заряда и ускоряясь в нём могут произвести новую ударную ионизацию и т.д.

48 Величина определяется степенью легирования pи nобластей.

49 Определяется типом носителей, вызывающих лавинное умножение и видом полупроводникового материала.

50 Примерно на 0,1% на 1С для кремниевых переходов.

В реальных полупроводниковых приборах часто встречаются несимметричные p-n переходы, когда степень легирования одной области – эмиттера, на несколько порядков больше степени легирования другой – базы. В таком случае и определяются только степенью легирования высокоомной базы и может меняться в широких пределах. Например, в несимметричном переходе с концентрацией примесей в базе: : , ; : , ; : ,

51 При высокой степени легирования областей перехода большей 10¹⁷ см^-3 , оказывается меньшей и лавинный пробой развиться не может, в таких переходах развивается туннельный пробой.

52

53 В сильно легированном p-n переходе . А при обратном смещении против заполненных валентных уровней в p-области оказываются свободные уровни проводимости в n-области. Причём эти уровни разделены очень тонким барьером: .

Поэтому при обратном смещении электроны из валентной зоны p-области под действием сильного электрического поля объёмного заряда могут туннелировать через узкий барьер сразу в зону проводимости n-области. При этом появляются дополнительные электроны и дырки, обратный ток резко возрастает, то есть наблюдается пробой p-n перехода, который называют туннельным или зенеровским. (Зенер – фамилия учёного). - напряжение пробоя.

Механизм пробоя можно объяснить так. В сильно легированных p-n переходах, где - мало, обратное напряжение в области объёмного заряда создаёт такое сильное поле, которое способно разорвать ковалентные связи полупроводника, а образовавшиеся пары электрон-дырка увеличивают обратный ток через переход. Туннельный пробой начинается для данного полупроводника при определённой напряжённости в области объёмного заряда : , . Даже небольшое увеличение Eсверх очень резко увеличивает вероятность туннелирования электронов. У Ge увеличивает туннелирование в раз. Поэтому после начала пробоя обратный ток от Uзависит очень резко. Так как зависит от , то как и при лавинном пробое, оно уменьшается при увеличении степени легирования p-n области.

При очень высокой степени легирования, когда полупроводник в p и nобласти оказывается вырожденным: и p-n переход теряет выпрямительные свойства.

При уменьшении степени легирования pи nобластей возрастает, но уже при в Si соответствует такой степени легирования, что и в области объёмного заряда появляется возможность лавинного умножения носителей. Поэтому в диапазоне действуют оба механизма пробоя. - лавинный пробой, - туннельный пробой.

54 Так как зависимость напряжения от температуры для лавинного и туннельного пробоев носит противоположный характер, то в диапазоне имеется напряжение , которое не зависит от температуры.

55 где , для несимметричного p-nперехода.

56 Дополнительный материал

57 В.А. Циганков Физика полупроводников и полупроводниковых приборов. СФ МЭИ, 1980г. с.57-60

58 - для резкого p-nперехода ,

59

60 Емкость равна . Дляплавного p-nперехода , где

61 В зависимости от площади p-n перехода

62 Без вывода - две составляющие диффузионной ёмкости.