Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 1_Электронно-дырочный переход
.pdf
1.9 |
ВАХ реального р-n-перехода |
ВАХ, учитывающая генерационно- |
ВАХ, учитывающая падение |
|
|
рекомбинационные процессы: |
напряжения на сопротивлении |
|
|
1 – для идеального p-n-перехода, |
полупроводника |
|
|
2 – для реального p-n-перехода |
|
Согласно теории р-n-перехода jген ~ ni, а js пропорционален 
. Тогда отношение jген/js пропорционально 1/ni. Поэтому в р-n-переходах широкозонных полупроводников в jобр существенный вклад вносит jген,
ав р-n-переходах узкозонных полупроводников jобр≈js. Поэтому, например, для р-n-переходов на Ge обратная ветвь ВАХ соответствует кривой 1,
адля р-n-переходов на Si – кривой 2.
1.10Барьерная и диффузионная емкости р-n-перехода
ОПЗ толщиной δ является высокоомной. Изменение напряжения на ОПЗ ∆U вызывает изменение заряда ∆QОПЗ. Это позволяет считать, что
ОПЗ обладает емкостью, названной барьерной Сбар: |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Сбар |
ΔQ |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОПЗ |
|
|||
Сбар можно определить, используя выражение |
|
|
ΔU |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
для емкости плоского конденсатора С=εε0S/δ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Учтем, что толщина ОПЗ для U ≠ 0 определяется выражением: |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
2εεo |
|
|
|
|
|
||||||
|
δ δn δp |
|
|
|
|
|
к U |
|
|
|
|
|||
|
Nd |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
q |
|
|
Na |
|
|
|
|
|
|||
Тогда выражение для Сбар примет вид:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С S |
qεε0 |
|
Na Nd |
|
1 |
|
|
||
|
|
K U |
|
|
|||||
бар |
2 |
|
Na N |
d |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.11Барьерная и диффузионная емкости р-n-перехода
Зависимость барьерной емкости от внешнего напряжения.
Величина Сбар примерно десятки и сотни пФ.
Зависимость Сбар от U используется в варикапах для настройки на резонансную частоту в LCколебательных контурах.
Распределение инжектированных через p-n-переход электронов при двух разных напряжениях U2 и U1
Диффузионная емкость
Диффузионная емкость связана с изменением зарядов электронов и дырок, инжектированных через p-n-переход под воздействием напряжения на нем.
Сдиф ΔUΔQ
1.12 |
Диффузионная емкость |
Поскольку Сдиф связана с переносом заряда через переход, то она имеет существенное значение только при прямых напряжениях.
Сдиф определяется выражением: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
диф |
|
q I |
n |
τ |
n |
I |
p |
τ |
p |
|
||
In и Ip – электронная и дырочная |
|
|
kT |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
составляющие тока через переход;
n и р – времена жизни электронов и дырок.
Величина может достигать сотен и тысяч пФ.
Таким образом, при прямых напряжениях общая емкость p-n-перехода определяется в основном Сдиф, а при обратных напряжениях – Сбар.
зависит от частоты приложенного к p-n-переходу переменного напряжения, поскольку для перехода носителей через ОПЗ и распространения их далее в глубь полупроводника требуется. Если переменное напряжение имеет период меньше, чем n и р, то носители заряда не будут успевать накапливаться в примыкающих к ОПЗ областях, что приведет к снижению диффузионной емкости Сдиф.
1.13 |
Переходные процессы в p-n-переходе |
Схема для исследования переходных процессов в p-n-переходе
Осциллограммы U и I при переключении p-n-перехода из прямого в обратное
tвос – время восстановления обратного сопротивления
Распределение концентрации носителей, инжектированных через p-n-переход в различные моменты времени
I ~ - dnp/dx
1.14 |
Пробой p-n перехода |
Под пробоем p-n-перехода понимают резкое увеличение обратного тока через переход при достижении обратным напряжением некоторой величины, называемой напряжением пробоя.
В зависимости от физических процессов, вызывающих пробой, различают пробои:
лавинный, туннельный и тепловой.
Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией атомов полупроводника в ОПЗ, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля в ОПЗ превышает некоторое критическое значение.
ВАХ p-n перехода при лавинном (1); туннельном (2) и тепловом пробое (3)
Характеристика лавинного пробоя – коэффициент лавинного умножения М,
определяемый отношением: |
|
|
|
|
|
|
M |
I |
обр |
|
|
||
|
|
Iо = Is +Iген |
||||
|
|
|
|
|
||
|
|
I |
|
|
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
0 |
|
|
|
1.15 |
Пробой p-n перехода |
Коэффициент М определяется эмпирической формулой:
M |
|
|
1 |
|
|
; |
2 b 6 |
b– параметр, зависящий от материала |
||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Uобр |
|
b |
полупроводника и типа |
|||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1 |
|
|
|
|
|
электропроводности ; |
||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
U |
|
- напряжение пробоя. |
||
|
|
Uпроб |
|
|
|
проб |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение лавинного пробоя Uпроб зависит от типа полупроводника (от его ширины запрещенной зоны ∆Eg) и от температуры.
Чем больше ∆Eg, тем большей энергией должны обладать носители, чтобы ионизовать атомы полупроводника. Поэтому с увеличением
∆Egувеличивается и Uпроб.
С ростом температуры полупроводника длина свободного пробега носителей заряда уменьшается. Поэтому с повышением температуры носителям сложнее набрать энергию, необходимую для ионизации атомов полупроводника. Следовательно, с ростом температуры напряжение лавинного пробоя Uпроб возрастает.
1.16 |
Пробой p-n перехода |
|
Туннельный пробой основан на туннельном эффекте, который проявляется в просачивании электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого превышает энергию носителей заряда.
Вероятность туннелирования зависит
|
от толщины потенциального барьера, |
|
имеющего треугольную форму, и от его |
|
высоты, которая равна ∆Eg. |
|
Чем выше уровень легирования, тем |
|
меньше толщина потенциального барьера. |
|
С ростом обратного напряжения |
Зонная диаграмма обратно |
толщина барьера уменьшается, что |
смещенного p-n-перехода |
повышает вероятность туннелирования. |
Напряжение туннельного пробоя Uпроб зависит от типа полупроводника (от его ∆Eg) и от Т. Чем больше ∆Eg, тем меньше вероятность туннелирования
и тем выше Uпроб. Чем выше Т, тем меньше ∆Eg. Поэтому с ростом Т напряжение туннельного пробоя Uпроб уменьшается.
1.17 |
Пробой p-n перехода |
|
|
|
|
Тепловой пробой связан с процессами рассеяния и отвода тепла в |
|||
p-n-переходе. |
|
|
|
|
Если к p-n-переходу приложено обратное напряжение |
|
|
|
|
Uобр, то через переход будет протекать обратный ток |
Pрасс IобрUобр |
|||
Iобр и в нем будет рассеиваться мощность: |
||||
Рассеиваемая мощность Ррасс вызывает разогрев р-n-перехода, что |
||||
сопровождается генерацией носителей заряда и увеличением Iобр. Это |
||||
приводит к росту Т и Iобр, и далее процесс повторяется. Таким образом, |
||||
рассеивание тепла в p-n-переходе должно приводить к резкому росту Т и Iобр. |
||||
В действительности Ррасс отводится в окр. среду, причем: |
|
Т Токр |
||
При наступлении теплового равновесия Ррасс = Ротв. |
Ротв |
RТ |
||
|
|
|||
Температура p-n-перехода примет стационарное значение. |
|
|
||
Если Ррасс > Ротв, то возможен рост температуры перехода, в результате |
||||
чего Iобр резко возрастает – наступает тепловой пробой. |
|
|
||
Часто тепловой пробой является процессом необратимым и |
|
|
||
происходит с разрушением p-n-перехода. |
|
|
|
|
1.18 |
Контакт металл-полупроводник |
Зонная энергетическая диаграмма металл-полупроводник n-типа:
а) в отсутствии непосредственного контакта; б) при наличии контакта
Минимальная энергия, необходимая для перевода электрона с энергетического уровня дна зоны проводимости в вакуум, называется внешней работой выхода или электронным сродством χ0.
Минимальная энергия, необходимая для перевода электрона в вакуум с энергетического уровня Ферми называется термодинамическая работа выхода χ.