3564
.pdf
через переход в р-область. А из р-области электроны уходят по направлению к плюсу источника, и тогда в этой области образуются новые дырки. Такой процесс происходит непрерывно, и, следовательно, непрерывно протекает прямой ток.
У левого края области n электронный ток имеет наибольшее значение. По мере приближения к переходу этот ток уменьшается, так как все большее число электронов рекомбинирует с дырками, движущимися через переход навстречу электронам, а дырочный ток iр. наоборот, увеличивается. Полный прямой ток iпр в любом сечении, конечно, один и тот же:
iпр=in+ip=const.
Это следует из основного закона последовательной электрической цепи: во всех частях такой цепи ток всегда одинаков. Так как толщина перехода очень мала и он обеднен носителями, то в нем рекомбинирует мало носителей и ток здесь не изменяется. А далее электроны, инжектированные в р-область, рекомбинируют с дырками. Поэтому по мере удаления от перехода вправо в р- области ток in продолжает уменьшаться, а ток iр увеличивается. У правого края р-области ток in наименьший, а ток iр наибольший. На рис. 1.25 показано изменение этих токов вдоль оси х для случая, когда ток in преобладает над током ip, вследствие того что nn>рn и подвижность электронов больше подвижности дырок. Конечно, при прямом напряжении кроме диффузионного тока есть еще ток дрейфа, вызванный движением неосновных носителей. Но если он очень мал, то его можно не принимать во внимание.
Рис. 1.25
1.5.3. Электронно-дырочный переход при обратном внешнем напряжении
Пусть источник внешнего напряжения подключѐн положи-
93
тельным полюсом к области n, а отрицательным – к области р (рис. 1.26а). Под действием такого обратного напряжения Uобр через переход протекает очень небольшой обратный ток ioбр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. На рис. 1.26а это показывают одинаковые направления векторов Ек и Еобр. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барь-
ера теперь равна Uк+Uобр (рис. 1.26б). Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через
переход прекращается, т.е. iдиф=0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на n
– р-переход из n- и р-областей. Выведение неосновных носителей через n – р-переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей заряда (слово «экстракция» означает «выдергивание, извлечение»).
Рис. 1.26
Таким образом, обратный ток io6p представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Действительно, при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей
94
«выталкивается» из пограничных слоев в глубь n- и р-областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (doбр>d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т.е. Rобр»Rпр.
Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным. Это объясняется тем, что число неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает и обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается.
Рассмотрим подробнее, как устанавливается обратный ток при включении обратного напряжения. Сначала возникает переходный процесс, связанный с движением основных носителей. Электроны в n-области движутся по направлению к положительному полюсу источника, т.е. удаляются от n – р-перехода. А в р- области, удаляясь от n – р-перехода, движутся дырки. У отрицательного электрода они рекомбинируют с электронами, которые приходят из проводника, соединяющего этот электрод с отрицательным полюсом источника.
Поскольку из n-области уходят электроны, она заряжается положительно, так как в ней остаются положительно заряженные атомы донорной примеси. Подобно этому р-область заряжается отрицательно, так как ее дырки заполняются приходящими электронами и в ней остаются отрицательно заряженные атомы акцепторной примеси.
Рассмотренное движение основных носителей в противоположные стороны продолжается лишь малый промежуток времени. Такой кратковременный ток подобен зарядному току конденсатора По обе стороны n – р-перехода возникают два разноименных объемных заряда, и вся система становится аналогичной заряженному конденсатору с диэлектриком, в котором имеется значительный ток утечки (его роль играет обратный ток). Но ток утечки конденсатора в соответствии с законом Ома пропорционален приложенному напряжению, а обратный ток n – р-перехода сравнительно мало зависит от напряжения.
95
1.5.4.Переход металл – полупроводник
Всовременных полупроводниковых приборах помимо контактов с электронно-дырочным переходом применяются также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой работы выхода электронов, т.е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.
Рассмотрим процессы в различных металлополупроводниковых переходах (рис. 1.27).Если в контакте металла с полупровод-
ником n-типа (рис. 1.27а) работа выхода электронов из металла Ам меньше, чем работа выхода из полупроводника Аn, то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т.е. в нем увеличивается концентрация электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом. Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 1.27б), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла
(Аn<Aм). В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном направлении, и в приграничном слое полупроводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дырками), имеющая малое сопротивление. Оба типа невыпрямляющих контактов широко используются в полупроводниковых приборах при устройстве выводов от n- и р-областей. Для этой цели подбираются соответствующие металлы.
96
Рис. 1.27
Иные свойства имеет переход, показанный на рис. 1.27в. Если в контакте металла с полупроводником n-типа Аn<Ам, то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями и поэтому имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно изменяться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает выпрямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немецкий ученый В. Шотки, и поэтому потенциальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером - диодами Шотки. В диодах Шотки (в металле, куда приходят электроны из полупроводника) отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов неосновных носителей, характерные для электронно-дырочных переходов. Поэтому диоды Шотки обладают значительно более высоким быстродействием, нежели обычные диоды, так как накопление и рассасывание зарядов – процессы инерционные, т.е. требуют времени.
Аналогичные выпрямляющие свойства имеет контакт металла с полупроводником типа р при Aм<Аn.
97
1.6. Физические процессы в полупроводниковых диодах
Полупроводниковый диод, по существу, представляет собой электронно-дырочный переход.
Для любого электронного прибора важна зависимость между током и напряжением, называемая вольтамперной характеристикой (ВАХ) данного прибора и показывающая его свойства.
Вольтамперная характеристика полупроводникового диода (рис. 1.28) имеет, нелинейный характер, что указывает на зависимость сопротивления от напряжения (тока) и на сложную связь между напряжением и током, не подчиняющуюся закону Ома.
Участок пробоя
Рис. 1.28
Характеристика для прямого тока в начале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении Uпр сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и р-областей, которые нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.
Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе быстро снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток iобр=iдр-iдиф резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствии нагрева перехода, за счет утечки по поверхности, а так же за счет лавинного размножения носителей за-
98
ряда, т.е. увеличения числа носителей в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем
итакже выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.
При некотором значении обратного напряжения возникает пробой n – p-перехода, при котором обратный ток резко возрастает
исопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой n – p-перехода. Электрический пробой является обратимым процессом, т.к. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Специальные диоды для стабилизации напряжения – полупроводниковые стабилитроны – работают в режиме пробоя. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.
Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атома сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для n – p-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.
Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эф-
фекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105В/см, действующем в n – p-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.
Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте n – p-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротив-
99
ление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву и его тепловому разрушению.
На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей заряда, т.е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. Поэтому свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. Это наглядно показывают вольтамперные характеристики, снятые при различных температурах (рис. 1.29).
Рис. 1.29
Обратно смещенный электронно-дырочный переход обладает барьерной емкостью. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +Qобр и –Qобр, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси.
Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток.
Однако в специальных диодах (варикапах) барьерная емкость используется как электрически регулируемая емкость.
При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p-областях при прямом напряжении на переходе.
100
Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.
1.7 Физические процессы в транзисторах
Основные физические процессы в транзисторе рассмотрим на примере биполярного транзистора n-p-n-типа в режиме без нагрузки (рис. 1.30).
Рис. 1.30
Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения Uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды показанные на рисунке кружками «+» и «–». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т.е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.
Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок
101
в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении плюса источника Е1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока iб. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:
iэ=iк+iб
Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно iб составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т.е. iб»iэ, а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать iк≈iэ. Именно для того, чтобы ток iб был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.
Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была бы велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.
Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень не большой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т.е.
102