Дрейфовая электропроводность в полупроводнике.
Найдем
выражение для дрейфовой электропроводности
в полупроводнике. В общем случае имеются
два типа носителей заряда. Сначала
рассчитаем выражение для дрейфовой
плотности электрического тока, вызванного
переносом электронов. Для этого рассмотрим
полупроводник в виде параллелепипеда
с ребром
и
площадью поперечного сечения
.
Электрическое поле направлено вдоль
ребра, так как показано на рисунке.
-
концентрация электронов. Внутри
параллелепипеда находится заряд
электронов:
За
время
все
электроны пересекут заштрихованную
площадку. Плотность электрического
тока будет равна:
В векторном виде:
(1)
Дрейфовая плотность дырочного тока равна:
(2)
Таким образом, в полупроводнике со смешанной проводимостью дрейфовая плотность тока равна:
(3)
Найдем связь дрейфовой скорости носителей заряда с напряженностью электрического поля. Из §1 следует, что:
,
,
.
,
(5)
(6)
и
-
подвижность электронов дырок и
соответственно, это скорость направленного
движения (скорость дрейфа в единичном
электрическом поле).
(5)
и (6) связывают макроскопические параметры
полупроводника (подвижность) с
микроскопическими параметрами
.
Учитывая (5) и (6) из (3) следует:
(7)
В
выражении для
знак
“+” следует из того, что направление
скорости электронов
противоположно
направлению электрического поля
.
С другой стороны в соответствии с законом
Ома:
(8)
где
-
удельная электропроводность, следовательно,
из (7) и (8) вытекает, что электропроводность
полупроводника, у которого имеются
электроны и дырки равна:
(9)
В
монополярном полупроводнике
-
типа концентрация дырок
(10)
В
монополярном полупроводнике
-
типа концентрация электронов
(11)
Если
полупроводник имеет форму параллелепипеда
или цилиндра длиной
и
площадью поперечного сечения
,
то
(12)
4.Импульсные диоды. Процесс переключения импульсного диода. Рассасывание зарядов.
Импульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Импульсный диод — диод, предназначенный для работы в импульсных схемах. Положительный импульс диод пропускает без искажений и при прямом напряжении через диод проходит большой ток. При смене полярности входного напряжения на отрицательную диод запирается, но не сразу, в начале происходит резкое увеличение обратного тока, затем, после рассасывания неравновесных носителей, восстанавливается высокое сопротивление p-n перехода, и диод запирается. Данный тип диодов применяют в импульсных ключевых схемах с малым временным переключением.
Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на обратное через короткие промежутки времени, порядка долей микросекунды, при этом важную роль играют здесь переходные процессы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствует высокому уровню инжекции, т. е. относительно большим прямым токам. Вследствие этого свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами.
Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода (рис. 2.11). Точечный диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой проволоки и стеклянного баллона. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, что приводит к увеличению прямого напряжения на диоде.
В связи с недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными диодами, производство которых основано на современных производительных и контролируемых методах формирования p-n-переходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания). Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда арсенид галлия.
Рис.
2.11. Конструкция импульсного диода:
1 – кристалл полупроводника; 2 – кристаллодержатель; 3 – припой; 4 – контактная пружина; 5 – стеклянный корпус; 6 – коваровая трубка; 7 – внешние выводы
В связи с недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными диодами, производство которых основано на современных производительных и контролируемых методах формирования p-n-переходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания). Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда арсенид галлия.
Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах и для уменьшения значения времени восстановления обратного сопротивления этих диодов в исходный кремний вводят примесь золота. Эта примесь обеспечивает появление в запрещенной зоне кремния энергетических уровней рекомбинационных ловушек и уменьшение времени жизни неосновных носителей.
В настоящее время большинство конструкций имеет металлокерамический, металлостеклянный или металлический корпус с ленточными выводами. Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса
При
прямом напряжении на участке 
происходит
инжекция носителей из эмиттерной области
в базовую и их накопление там. При смене
полярности напряжения на обратную в
первый момент величина обратного тока
будет значительна, а обратное сопротивление
диода резко уменьшится, так как накопленные
в базе неосновные носители под действием
изменившегося направления напряженности
электрического поля начнут двигаться
в сторону p-n-перехода, образуя
импульс обратного тока. По мере перехода
их в эмиттерную область, их количество
уменьшится и через некоторое время
обратный ток достигнет нормального
установившегося значения, а сопротивление
диода в обратном направлении восстановится
до нормальной величины.
Рис.
2.12. Переходные процессы в импульсном
диоде
Процесс
уменьшения накопленного заряда в базе
называется рассасыванием, а
время, в течение которого обратный ток
изменяется от максимального значения
до установившегося, называется временем
восстановления 
обратного
сопротивления. Время восстановления
обратного сопротивления – один из
важнейших параметров импульсных диодов.
Чем
оно меньше, тем диод лучше. Для улучшения
свойств импульсных диодов исходный
полупроводник выбирают с малым временем
жизни носителей заряда (для более
интенсивного процесса рекомбинации в
базе), а сам p-n-переход делают с
малой площадью, чтобы снизить величину
барьерной емкости перехода 
.