Общая электротехника и электроника. Физические свойства и элементная
.pdf1.9. Электронно-дырочный переход 1.9.1. Общие сведения о «-/7-переходе
Электронно-дырочный или «-/7-переход может быть получен путем контакта «- и /7-полупроводников. Следует отметить, что этот контакт не механический, а полученный внутри кристалла и может быть образован за счет вплавления акцептора в «-полупроводник или донора в /7 -полупровод-
ник (сплавные «-/7-переходы), а также методом диффузии в вакуумных пе чах парообразного донора или акцептора в / 7- или «-кристалл (диффузион
ные «-р-переходы).
Наибольшее применение в полупроводниковых приборах получили несимметричные и односторонние переходы, когда концентрация присад ки в одной области больше, чем в другой. Например, Ид > Na, Na» Na, или наоборот, где Na - концентрация акцепторной присадки; Na - концентра ция донорной присадки. Область с меньшей концентрацией присадки на зывается базой, а с большей концентрацией - эмиттером.
Все «-р-переходы подразделяются на ступенчатые и плавные. Счита ется, что в ступенчатых переходах концентрация на границе меняется скачком. Это идеализированное представление «-р-перехода, но оно удоб но при анализе и количественных расчетах.
1.9.2. Физика работы я-p-перехода
Для рассмотрения физических процессов, происходящих на «-р-переходе в равновесном состоянии (внешнее электрическое поле рав но 0), нарисуем диаграммы изменения (рис. 1.12) на переходе заряда q, по тенциала Дфо и концентраций «„, р„, рр, пру а также зонные диаграммы, считая переход реальным (плавным). На рис. 1.12 принято, что концентра
ция присадки доноров Nnбольше, чем концентрация присадки акцепторов
Np\ неподвижный ион донорной примеси обозначается ©, а акцептор
ной - 0 ; Дфо - высота потенциального барьера на переходе; q - объемный заряд ионов доноров и акцепторов; пп и рр - концентрация основных носителей в «- и /7-областях; рпи пр- концентрация неосновных носителей в «- и /7-областях.
При соединении двух полупроводников разной проводимости, вслед ствие градиента (разной концентрации) носителей в «- и /7-областях, возни кают диффузионные силы. Под действием этих сил электроны из области « начинают смещаться в область /7. Электрон, ушедший из области «, остав ляет неподвижный положительный ион донора. Электрон, пришедший в область /?, занимает вакантную связь (рекомбинирует с дыркой) и создает отрицательный неподвижный ион акцептора. В сумме все ионы донора и
Рр
все ионы акцептора образуют объемный положительный заряд в области п и отрицательный объемный заряд в области р. Эти два заряда создают рав новесный потенциальный барьер Асро, который образует электрическое по ле внутри р-л-перехода на его границе. Электрическое поле направлено та ким образом, что оно тормозит движение основных носителей, снижая диффузионный поток, но в то же время ускоряет неосновные носители. Появляется встречный дрейфовый поток электронов и дырок. В результате этого поток дрейфовый становится равным диффузионному, и так как эти потоки направлены встречно, то суммарный поток равен 0. Это явление
называется динамическим равновесием. При динамическом равновесии ус танавливается постоянная глубина распространения объемного заряда или ширина обедненного слоя вблизи р-л-перехода, постоянный заряд и посто янная высота потенциального барьера Дфо*
Величина Дфо может определяться разницей ф£ и ф£ Эти величи ны находятся из уравнений (1.5) и (1.6):
ФЕ„ =Ф/?"Фт ,п— . ni
ФЕ„ =Ф /г-Ф т t o - 41,
рPi
тогда
АФ0 =9ер - ф Еп =Фт
Подставив вместо nipi согласно (1.3) равное ему значение ппрп или
РрПр, получим
Дф0 = Фт In— |
= фт1п — , |
(1.10) |
Рп |
"р |
|
т.е. величина потенциального барьера зависит от соотношения одноимен ных носителей зарядов в и- и p -областях м-р-перехода.
Ширина обедненной области ступенчатого перехода с учетом, что Iп « 1р , может быть найдена из следующего выражения
'» - J W -
где Бо ~ диэлектрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость ва куума); s - диэлектрическая проницаемость полупроводника; NQ- концен трация примеси в базовой области.
Для плавного перехода
^0 |
9е0еАф0 |
(1.12) |
|
eN6 |
|||
|
|||
|
|
Вывод формул (1.11) и (1.12) приводится в [1].
Искривление зон на переходе объясняется тем, что уровень Ферми в кристалле остается постоянным, однако в области л он расположен ближе в ЗП, а в области р - ближе к ВЗ.
Л е к ц и я 4
1.9.3. Анализ неравновесного состояния р-я-нерехода
Если к р-я-переходу приложить внешнее напряжение U, то динамиче ское равновесный нарушится. Приложим к области р плюс, а к области я - минус (рис. 1.13). Под действием этого напряжения высота потенциально го барьера Дср0 уменьшится: Дер = Д<р0 - U, что приведет к возрастанию диффузионного тока, а так как этот ток определяется основными носите лями, то величина и приращение этого тока будут большими, а величина напряжения и приращение этого напряжения малыми. Такое напряжение называется прямым напряжением на р-я-переходе, а ток - прямым током При обратной полярности внешнего напряжения (рис. 1.14) высота потен циального барьера увеличивается: Д<р = Д<р0 + О, что приводит к возраста нию дрейфового тока, но так как этот ток определяется неосновными но сителями, то величина его не может быть большой. Поэтому величина об ратного напряжения большая, а ток близок к нулю. Такое напряжение и ток называются обратными.
р !© 0 |
$ ® Ф| П |
|
!© © Ф |
W ф | |
|
•в © |
© © ®! |
|
0 © |
дч /т\ /т\ 1 |
|
Ф |
Ф ф 1 |
|
!© © © ©©! |
||
|
и |
.+______ |
Рис. 1.13 |
Рис. 1.14 |
|
Внешнее напряжение изменяет не только потенциал Дф, но и ширину обедненной области, а также зонную диаграмму на р-и-переходе. Для об
ратного напряжения ширина обедненной зоны за счет базовой области бу дет увеличиваться:
| 2е0е(Дфо + U )
" V Щ
Зонная диаграмма на /?-и-переходе при подключении внешнего на пряжения тоже изменится: при прямом напряжении искривление зон уменьшится, а при обратном - увеличится.
1.9.4.Количественная оценка изменения концентрации неосновных носителей в обедненной зоне
Изменение высоты потенциального барьера сопровождается измене нием граничных концентраций носителей (пп, пр, рр, рп\ но так как п„ » пр,
а рр » Рп, то можно считать, что меняются только неосновные носители. Приняв, что внешнее напряжение приложено к обедненной области, най дем изменение пр и р„. Для равновесного состояния высота потенциально-
го барьера Дфо = cpT In |
=срт In |
, тогда |
|
||
Р»0 |
|
пРо |
|
|
|
|
|
|
|
Афр |
|
|
Рио = Р р е |
Фт |
(1.13) |
||
|
|
||||
|
|
|
|
Афр |
|
|
|
Лро ~ пп е |
<*>т |
(1.14) |
|
Подставив вместо Дфо его значение при подключении прямого на |
|||||
пряжения Дер = Дфо - U., получим |
|
|
|
||
|
|
Ь*о~и |
|
|
Аф0 Ц_ |
Р п - Р р е |
Фт |
= рр е |
Фт еФт , |
||
|
|
Аф0 |
U |
|
Дфо и_ |
|
|
|
|
= пп е Фт еФт |
|
или
и_
(1.15)
7о^Фт 3
и_
\ е Фт |
(1.16) |
Как видно из (1.15) и (1.16), при прямых напряжениях концентрация неосновных носителей в обедненной области растет. Это явление носит название инжекции. Очевидно, если приложено обратное напряжение, то
Рп = Рп0е<Рг >пр = % е<Рт Следовательно, концентрация неосновных но
сителей уменьшается и это явление носит название экстракции. Избыточные концентрации при инжекции можно найти как разницу
между «р и иро, а также между р„ и рп^
|
|
у_ |
|
|
|
Р п -Р п0 =Ьрп =Рп0(е*' - 1 ) , |
|
(U 7) |
|
|
|
и_ |
|
|
|
пр - пРо=АпР = пРо(е(Рт- 1 ) . |
|
(1.18) |
|
Найдем отношение избыточных концентрации при прямом напряже- |
||||
ЬПр |
пРо |
рр = р пп , получим |
Ди„ |
и |
™и |
= — , учитывая, что и |
— |
= —2. |
|
|
* 4 |
|
ДР„ |
Рр ' |
Так как пп » Л/д, Рр * Na , то |
Дл |
дг |
— = |
■. Переход несимметричный, |
|
» ^ а » следовательно, Апр » |
Арп, избыток электронов в /(-области |
|
значительно больше избытка дырок в и-области, т.е. в несимметричных
переходах инжекция носит односторонний характер - из эмиттера в базу. График изменения неосновных носителей в областях п и р представлен на рис. 1.15.
1.9.5. Вольт-амперная характеристика идеального /ь/ьперехода
При выводе вольт-амперных характеристик (ВАХ) делаем следующие допущения:
1. Током, вызванным рекомбинацией носителей на /?-л-переходе, пре небрегаем. В этом случае считаем, что / = /„ + 1р = 0. Если / * 0, то обя
зательно будет рекомбинация части носителей в обедненной области, что вызовет дополнительную составляющую тока через переход.
2. Все внешнее напряжение U приложено только к обедненному слою л-/7-перехода, т.е. на границах областей р и п электрическое поле равно ну лю, а значит, и дрейфовый ток через переход тоже равен нулю.
Следовательно, ток инжектированных носителей носит чисто диффу зионный характер.
|
-г, |
dn |
|
|
dp |
|
■^диф ” е |
п ^ х ’ ^рдиф |
- |
е Р& х |
|
Из рис. 1.15 видно, что производная в точке х = 0 может быть при |
|||||
ближенно найдена так: |
|
|
|
|
|
|
d п |
|
d p |
|
ЬРп |
|
d * х=0 |
Ln * |
dx х=0 |
|
|
После подстановки значений Дпр и Арп из выражений (1.17) и (1.18) |
|||||
получим |
|
|
|
|
u_ |
|
U_ |
|
|
||
|
e D n n p 0 |
|
h m |
- |
e D p P p 0 |
Jn 1 |
<еФ т - 1). |
(вфт “ !)• |
|||
Тогда полная плотность тока через переход
и_
^ = ^ди ф + ^ д н ф = ^ еФТ
Умножив плотность тока на площадь /?-и-перехода, получим значение тока через переход
QГ\
где / 0 =
lP0
1*И|1C.1.16
U
/ = / 0(сФт - 1 ) , |
(1.19) |
eD ns
рп^ называется обратным или тепловым током
/T-w-перехода.
Графическое изображение идеальной ВАХ представлено на рис. 1.16. Эта характе ристика построена по уравнению (1.19) и на зывается идеальной ВАХ. При комнатной температуре у кремниевого транзистора ве личина /0 *10 15 А, а С/пр * 0,7-0,8 В. Однако величина этого тока очень сильно зависит от температуры:
Афз
/ 0' =кТт еЦ(рт t
ГДС T f * 2’л = Афз = 0,76 В; Si m= 1>5’ Ц = 2’Лфз = 1,11 В-
^ 1Я Сближенных расчетов можно пользоваться формулой удвоения.
/-20
2 10
'о = Л>
т.е. на каждые Ю °с ток увеличивается в два раза.
Как видно из формулы (1.19), /0 влияет на прямую и обратную ветвь, но так как ток в прямой ветви достаточно большой, то относительное уве личение не является существенным, а вот обратная ветвь меняется доста точно сильно. При предельных температурах (Ge = 85 °С, Si = 125 °С) об ратный ток становится соизмерим с прямым током и переход перестает ра ботать.
Зависимость ВАХ от температуры и площади перехода показана соот ветственно на рис. 1.17, а и б.
1.9.6.Реальная ВАХ
Вреальных р-н-переходах омическое сопротивление базы не равно
нулю. В этом случае прямое напряжение Е/пр «срт In— + IR$, тогда ВАХ /о
прямой ветви будет положе (рис. 1.18).
В обратной ветви реальной ВАХ обратный ток намного превышает тепловой ток /о. Это вызвано прежде всего термогенерацией электронно дырочных пар в области обратно смещенного р-н-перехода, а обратный ток в этом случае получил название тока термогенерации (/G). Процесс термо генерации происходит всегда, но если состояние равновесное, то скорость термогенерации и рекомбинации одинакова. При обратном напряжении процесс рекомбинации замедляется. Избыточные носители переносятся электрическим полем в нейтральные слои (электроны в н, дырки в р), эти потоки и образуют ток термогенерации, величина которого может состав лять 10-11А, что на четыре порядка выше тока /о.
Отличительной особенностью тока термогенерации является то, что он зависит еще и от величины обратного напряжения, так как с ростом Uo6р растет ширина обедненного слоя, а, следовательно, количество термо генерируемых пар увеличивается. Кроме этого тока существует еще ток утечки по поверхности р-л-перехода (/ут), возникающий за счет загрязне ния корпуса р-л-перехода, который пропорционален обратному напряже нию (рис. 1.19). В сумме эти три составляющие (ток тепловой, термогене рации и утечки) определяют обратный ток реального перехода. Если об ратное напряжение увеличивать беспредельно, то при некоторой его вели чине возможен пробой перехода.
1.9.7. Виды пробоев р-л-перехода
Существует три разновидности пробоев р-л-перехода: туннельный, лавинный, тепловой. Два первых носят название электрического пробоя и являются неразрушаемыми.
Туннельный пробой. В основе туннельного пробоя лежит зависи мость потенциальных уровней от величины Дф на р-л-переходе. Чем больше Дф, а следовательно, U, тем больше разница между однотипными зонами в слоях пир . В этом случае при некоторой величине обратного на пряжения зона проводимости л-полупроводника окажется ниже валентной зоны р-полупроводника (рис. 1.20) и электроны из зоны проводимости л- полупроводника могут напрямую (без изменения энергии) просочиться в валентную зону р-полупроводника и обратно. Это явление называется тун нельным эффектом, а ток - туннельным. Величина обратного тока при туннельном пробое резко возрастает и может быть соизмерима с прямым током (рис. 1.21). Если ток не превышает допустимой величины, то дан ный пробой не разрушает р-л-переход. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается, так как уменьшается ширина запрещенной зоны.
зп
7//Z//Z
77777777b
вз 2
р-слой