Тема 1.3. Электронно-дырочный переход

II, $ 1.4]

Диффузия носителей заряда на границе р и п областей. Образо­вание контактной разности потенциалов на границе р и п областей потенциального барьера. Запирающий слой. Влияние потенциального барьера на основные и неосновные носители заряда. Баланс токов. Включение прямого напряжения к р-n переходу. Инжекция носителей заряда. Эффективное время жизни. Диффузионная длина. Сопротивле­ние -и ток р-п перехода, находящегося под прямым напряжением.

Включение обратного напряжения к р-п переходу.-Экстракция но­сителей заряда. Сопротивление и ток р-п перехода, находящегося под обратным напряжением. Влияние обратного напряжения на высоту потенциального барьера и ширину запирающего слоя. Вольт-амперная характеристика р-п перехода, .электрический и тепловой пробой р-п перехода. Барьерная и диффузионная емкость.

Рабочими элементами многих полупроводниковых приборов являют­ся р-п переходы; р-п переход - это электрический" переход между двумя областями ПП, одна из которых имеет электропроводность типа "П", а другая типа "р".

В зависимости от концентрации ОН в областях р-п переходы под­разделяются на симметричные и несимметричные (рис. 11 и 12)!

Симметричный р-п переход - концентрация ОН в обоих областях одинаковая. Слой р-п перехода располагается симметрично относительно линии контакта областей.

Несимметричный р-п переход - концентрация ОН в одной из областей значительно больше, чем в другой. Слой р-п пь>-. рехода расположен несимметрично относительно линии контакта.

Условные обозначения р-п перехода симметричного несимметричного

* **vx • О.Ч-/

(Назовем основные показатели, характеризующие р-п переход в равновесном состоянии:

| uk - контактная разность потенциалов или высота потенциаль­ного барьера;

do - ширина р-п перехода, которая зависит от Е, концентра-

ции примесей и т.д.

j Для того, чтобы ток через р-п переход не был равен нулю, сле­ду е-f к р-п переходу подключить внешний источник питания. Е_вн мож^о' подключать двумя способами, при этом р-п переход будет включен прямо или обратно.

Прямое включение р-п перехода Е_вн подключается "+" к области р и "-"к области "п". При этом внешний источник действует встречно внутреннему источнику контактной разности потенциалов, что понижает потенциальный барь­ер, созданный Е^. Снижение потенциального барьера ведет к увели- | ченйю диффузии ОН через переход. При этом в каждую из областей вводятся дополнительные НЗ, являющиеся для нее НН. Этот процесс ; навивается инжекцией (рис. 14).

Обратное включение р-п перехода Е_вн подключается "-" к области "р" и "+" к области - "п". При_ этом внешний источник действует в одном направлении с внутренним По площади р-n переходы делятся на:

плоскостные- у которых линейные размеры, определяющие площадь перехода, значительно превышают его толщину; точечные- у которых эти размеры меньше толщины перехода.Наибольшее применение получили несимметричные р-n переходы плоскостные.

Рассмотрим процессы, происходящие в симметричном плоскостном р-n переходе в равновесном состоянии, т.е. без внешнего источнику питания (внешнего напряжения).

При контакте двух областей разной проводимости возникает дифг фузнойное перемещение ОН из одной области в другую, а движение НЗ - это ток. Таким образом через линию контакта возникает ток, ко­торый носит название I диф он.

I диф он - диффузионный ток образован движением НЗ под дейсг твием разности их концентраций из той области, где они являются основными, в ту, где они неосновные. I диф имеет электронную ^ дырочную составляющие. В результате диффузии ОН вблизи границ^ • между областями р-n перехода создаются неподвижные объемные зарй-ды, образованные ионами примесей; в области р - создается отрица­тельный 'потенциал, а в области п - положительный, таким образом, при контакте двух областей разной проводимости создается электри­ческое поле, направленное от области "п" к области "р" - Ек - по­ле контактной разности потенциалов. Это поле препятствует диффу­зии ОН и наоборот способствует движению НН. т.е. появляется/ток

НН. который называется дрейфовым током.

I др нн - дрейфовый ток. который возникает под действием внут­реннего' поля контактной разности потенциалов - Ек. Это ток ,HH, в отличии от дрейфового тока, который определяется ОН. '

I диф он * I диф п * I диф р

I др нн - I др п * I др р «

В равновесном состоянии в симметричном р-n переходе ток диф­фузии, уменьшаясь под действием Ек, становится равным встречному дрейфовому току и результирующий ток через переход становится равным нулю (рис.13).

при I р-п =1 диф он - I др нн

Евн =0 I диф он « I др нн и I р-n !«. О

ек и потенциальный барьер возрастает. В этом случае диффузия ОН уменьшается и через р-n переход течет в основном дрейфовый ток НН заряда, при этом в каждую из областей вводится небольиЬе коли­чество НЗ, являющихся для нее ОН. Этот процесс называется экстракцией (рис.15).

Прямое включение р-n перехода Обратное включение р-n перехода

Поля ек и Е,р встречны. Поля Ец и Е_обр согласны.

Цр-п=ик-ипр^1диф он1, Up-n - Цк+Цобр =Ндиф | он- 0. а 1др нн «const а 1др нн • const

Inp -1диф он-Хдр нн X) 1обр-1диф он-1др нн <q

Inp * I диф 1обр«1др (нн)

Свойства прямо смещенного р-n п е р е х о д а Свойства обратно*смещенного р-n перехода

Up-nj; Inpl; Rnp - мало, Up-nl; Io6p-tran;; Яоб^-велико;

dnpf do6p1

lfp-n - напряжение на p-n переходе;

Inp - ток через p-n переход при прямом включении; ••••'

1обр - ток через р-n переход при обратном включении;

Rnp - сопротивление прямовключенного р-n перехода;

Ro6p - сопротивление обратновключенного р-n перехода;

dnp - ширина прямовключенного р-n перехода;

do6p - ширина обратновключенного р-n перехода.

В полупроводниковых приборах используется обычно несим­метричные р-n переходы (рис. 16), у которых концентрация основных носителей заряда в одной области значитель-нр выше, чем в другой, при этом инжекция происходит преимущест-в|энно в одном направлении: из области с повышенной концентрацией Он" в область с пониженной концентрацией.

эмиттер база эмиттер база

Эмиттер - область с высокой или очень высокой концентрацией ОН (п⁺ или р⁺ );

База - область с низкой концентрацией ОН.

Р-n переход при этом располагается в основном в области с низкой концентрацией ОН .т.е. в области базы.

Несимметричный р-n переход Вольт-амперная характеристика

р-n перехода

А*.1&

Вольт-амперная характеристика '

(ВАХ) р-n п е р е х о д а ВАХ - это зависимость тока , протекающего через р-n переход,

от приложенного к нему напряжения Ip-n-f(Up-n) .

Рассмотрим более подробно ход ВАХ р-n перехода. Она будет иметь две ветви, так как р-n переход может быть включен прямо и обратно:

Inp=f(Unp) - ВАХ прямовключенного р-n перехода; Io6p*f(Uo6p) - ВАХ обратновключенного р-n перехода. Обратите внимание на то, что-масштабы по осям прямого и об­ратного токов, а также прямого и обратного напряжения различны. р-n переход рбладает свойством односторонней про­водимости, т.е.|1пр|»|!обр| и |Rnp|« |Ro6p|.

Ток через р-n переход при прямом его включении значительно больше по величине, чем при обратном. Прямые токи для различных типов переходов могут иметь величину от единиц мА до единиц А. Обратные токи имеют порядок величин от единиц до сотен мкА. Боль­шой прямой ток приводит к выделению на р-n переходе большой теп­ловой энергии, поэтому прямые напряжения обычно небольшие, поряд­ка 0,2-1,5 В. Обратные напряжения могут быть значительно выше -5-100 В и более.

Прямая ветвь ВАХ имеет два участка: начальный нелинейный ОА и линейный АБ. Из характеристики видно, что cfunpflnp. Unp ограни­чивается мощностью, рассеиваемой в р-n переходе. Анализ вольт-амперной характеристики оказывает, что при больших обратных напряжениях которое связано с увеличением обратной проводимости.

Яв­ление резкого увеличения обратной проводимости р-n перехода при достижении обратным напряжением критического для данного перехода значения, называется пробоем р-n перехода. Различают электрический и тепловой пробои. Электрический пробой р-n перехода

- это пробой, обусловленный лавинным размножением носителей заря­да или туннельным эффектом. Электрический пробой - процесс обра­тимый. При уменьшении обратного напряжения до величины, меньшей критической ..обратный ток резко уменьшается (участок ВГ на ВАХ-рис.17). Тепловой пробой р-n перехода называется ростом числа носителей заряда в результате нарушения равновесия между выделяемым в р-n переходе и отводимым от него теплом. Этот процесс необратим и связан с разрушением структуры полупроводника (участок Г-Д рис.17).

Величины прямого и обратного токов зависят от температуры. На рис. 18 показано, как с изменением температуры меняется положение ВАХ. Причем влияние изменения температуры окружающей среды силь­нее сказывается на ход обратной ветви ВАХ.

Прямая ветвь - 1пр растет быстрее при меньших Unp ctt";

Обратная ветвь- с f t°электрический и тепловой пробои наступают

при меньших значениях Уобр.

ВАХ р-п перехода для различных ВАХ р-n перехода для раз-\° окружающей среды ных пп материалов

Kpotfe того следует помнить, что для различных материалов ПП Ах р-n перехода имеет различное положение (рис.19). Из этого ри-^нка можно сделать следующие выводы:

Ge обладает большей величиной прямого тока и обеспечить его )жно при значительно меньшем Unp;

Si - материал, который выдерживает значительно большие 11обр и юктрический пробой наступает при больших Уобр, чем для Ge; тем-'ратурная зависимость у кремниевого р-n перехода выражена гораз-слабее.

Емкость р-n перехода

Помимо R. d р-n переход характеризуется еще и емкостью, кото-я является величиной непостоянной. Нескомпенсированные объемные, эяды атомов акцепторной и донорной примесей в р-n переходе, ^деленные обедненным слоем с малой электропроводностью, образу-емкость. Эту емкость называют барьерной(С бар;. Эта емкость оп-1еляет в основном емкость обратносмещенного р-n перехода

С бар = дОн^еп°Д : ^с ^ ^и°бр f ^d°6p \ С бар

dU с f Unp f dnp 'f С бар

При протекании через р-n переход 1пр вблизи границы раздела областей происходит накопление инжектированных носителей заряда, не успевших рекомбинировать с основными носителями базы. Эти но­сители заряда образуют объемный заряд, т.е. образуется емкость, называемая диффузионной емкостью, определяющей емкость прямо включенного р-n перехода

На основании всего вышеизложенного можно составить эквива­лентную схему р-n перехода (рис.20).

Эквивалентная схема ^о - объемное сопротивле-

р-п перехода ние базы;

R - сопротивление р-n пе­рехода;

С - емкость р-n перехода;

С= С бар * С диф

раздел п. полупроводниковые: диода

Полупроводниковые диоды находят широкое применение-в аппара туре всех видов проводной и радиосвязи, проводного, радио и теле­визионного вещания. Учебный материал данного раздела будет ис-• пользован при изучении большинства специальных предметов радио и проводного цикла.

Учебный материал по темам 2.2 и 2.3 особенно широко исполь­зуется в курсе "Электропитание устройств связи" по темам 2.4 и 2-5 - в курсах "Радиоприемные устройства", "Радиопередающие уст­ройства", "Радиорелейные линии связи".