260

5.9. P-n переход на больших уровнях инжекции

Уровнем инжекции называют отношение неравновесной концентрации к равновесной основных носителей заряда.

Для n-базы:

. (5.55)

Малому уровню инжекции (МУИ) соответствует Z < 0,1.

Среднему уровню инжекции (СУИ) – 0,1 < Z <1.

Большому уровню инжекции (БУИ) – Z > 1.

На больших уровнях инжекции проявляются следующие эффекты:

1. Модуляция проводимости базы.

2. Дрейфовые токи неосновных носителей заряда, обусловленные диффузионным полем (градиентом концентрации основных носителей).

3. Изменение времени жизни в базе. Уменьшение темпа рекомбинации через ловушки (ШХР) и увеличение темпа рекомбинации Оже (Auger).

4. Рассеяние носителей друг на друге. Амбиполярные подвижность и коэффициент диффузии.

5. Ослабление потенциальной зависимости тока через p-n переход (часть внешнего напряжения падает на сопротивлении базы).

6. Снижение эффективности несимметричного p-n перехода за счет усиления потенциальной зависимости тока обратной инжекции из слаболегированной базы. Граничные условия Флетчера-Агаханяна.

7. Изменение температурной зависимости прямого падения напряжения.

5.9.1. Увеличение проводимости базы

В общем случае проводимость полупроводника определяется электронами и дырками:

.

Модуляция проводимости наблюдается в слаболегированной базе, например, n-области. Для случая длинной базы:

.

Следовательно:

Подставив эти значения в выражение для σ, получим:

, (5.56)

где , , .

Удельное сопротивление

. (5.57)

Так как , то напряженность поля, а, следовательно, падение напряжения на промодулираванной базе не зависит от плотности тока. При Z >> 1:

.

Длина модуляции соответствует трем диффузионным длинам. Поэтому для диодов с ограниченной толщиной базы высокоомная база будет полностью промодулирована, и на ней будет падать небольшое напряжение (доли единицы вольта).

Именно этот эффект позволяет создавать высоковольтные (до 2 кВ) и одновременно сильноточные (до 1000 А) диоды и тиристоры с малым падением напряжения (1,2…2) В . Без эффекта модуляции проводимости базы падение напряжения достигло бы десятки и сотни вольт, а выделяемая мощность до 10⁵-10⁶ Вт, что вызвало бы перегрев и разрушение прибора.

5.9.2. Диффузионное поле и дрейфовые токи ннз

При высоких уровнях инжекции Z > 1, необходимо учитывать увеличение концентрации основных носителей заряда (рисунок 5.31).

К ак и на МУИ за время диэлектрической релаксации τ (мгновенно) избыточный заряд дырок нейтрализуется кулоновским взаимодействием с основными носителями

; .

В стационарном случае распределение электронов в n-базе квазистационарно. В несимметричном переходе практически весь ток переносится дырками (рисунок 5.31).

j = j_p + j_n = j_p; j_n = 0.

Из этого условия можно определить величину диффузионного поля. За счет подвижности электроны диффундируют от плоскости p⁺-n перехода в базу. Диффузионное поле тормозит их и создает установившееся квазистационарное состояние с градиентом концентрации основных носителей (рисунок 5.31)

; . (5.58)

Это поле является ускоряющим для дырок. Так как концентрация ННЗ сравнима с концентрацией ОНЗ, то необходимо учитывать дрейфовую компоненту ННЗ.

.

Подставив в это выражение (5.58) и учитывая, что

, ,

получим: .

Разделив второе слагаемое в скобках на N_D, получим:

; . (5.59)

При БУИ Z > 10, D_ef = 2D_p. Это означает, что половина тока переносится диффузионным механизмом, а другая половина – дрейфом. Зависимость D_ef(Z) отражена на рисунке 5.32. Введение D_ef позволяет описать дрейфовый и диффузионный токи с помощью выражений для чисто диффузионного тока. Никоим образом это не означает, что уменьшается рассеяние носителей заряда и увеличивается подвижность, и, следовательно, коэффициент диффузии.

Рисунок 5.32 - Зависимость D_ef(Z)