Вольт - амперная характеристика р-n перехода.

Рассмотренные процессы в р-n переходе описываются аналитической функцией :

где: ΙΡ−Ν - суммарный поток носителей электрического заряда че-

рез границу раздела;

Iо - обратный ток p-n-перехода;

17

U - приложенное к переходу напряжение внешнего источника; К - постоянная Больцмана; К=1.38·10-23 дж /град; Т - температура в градусах Кельвина;

g - заряд электрона.

При прямом напряжении внешнего источника (U > 0 ) экспоненциальный член быстро возрастает, что приводит к быстрому росту прямого тока, который в основном определяется диффузионной составляющей. При обратном напряжении внешнего источника (U < 0) экспоненциальный член стремится к нулю и ток р–n-перехода практически равен обратному току Iо, определяемому, в основном, дрейфовой составляющей. Вид этой зависимо-

превышать количество тепла , отводимого от полупроводникового кристалла либо естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки.

Поэтому прямой ток р-n-перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры.

При увеличении обратного напряжения, приложенного к р-n- переходу обратный ток изменяется незначительно, так как дрейфовая составляющая тока, являющаяся превалирующей при обратном включении, зависит в основном от температуры кристалла, а увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества. Такое положение будет сохраняться до величины обратного напряжения Uп, при котором начинается интенсивный рост обратного тока - так называемой пробой р-n-перехода. Различают два основных вида пробоя: электрический и тепловой.

Электрический пробой, в свою очередь может быть туннельным и ла-

винным. Туннельный пробой происходит в очень тонких р-n-переходах и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда

18

возникает большой градиент электрического поля. При этом валентные электроны приконтактного слоя р - области отрываются от своих атомов и перебрасываются в n- область.

Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной р-n-перехода, но происходит также под действием сильного электрического поля. В лавинном пробое основная роль принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в р-n-переходе. Эти носители, как уже было отмечено выше, испытывают со стороны электрического поля р-n-перехода ускоряющее действие и начинают ускоренно двигаться вдоль силовых линий этого поля. При достаточной величине напряженности эти носители на длине свободного пробега могут разогнаться до такой степени, что их кинетической энергии может оказаться достаточно, чтобы при очередном соударении с атомом полупроводника ионизировать его, то-есть выбить один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон-дырка. Образовавшиеся носители тоже начнут разгоняться в электрическом поле, сталкиваться с другими соседними атомами и процесс, таким образом, будет лавинообразно нарастать.

Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.

Тепловым называется пробой р-n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая мощность, выделяющаяся в р-n-переходе и, соответственно, температура кристаллической структуры. Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла и ослабевает связь валентных электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования дополнительных пар носителей электрон-дырка. При том же значении обратного напряжения обратный ток возрастает (участок, обозначенный пунктиром на рис.15) Если электрическая мощность в р-n-переходе превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, в кристалле происходит необратимая перестройка структуры и р-n-переход разрушается. Кроме рассмотренных основных видов пробоя различают еще поверхностный пробой. Распределение напряженности электрического поля в р-n- переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей

19

с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.

Емкость р-n-перехода.

Еще одной замечательной особенностью р–n-перехода является то, что он обладает емкостными свойствами. Действительно , по обе стороны р- n-перехода возникают объемные электрические заряды неподвижных ионов примесей, разделенные между собой запирающим слоем, имеющим очень высокое удельное сопротивление, что можно рассматривать как конденсатор, обкладками которого являются р и n области полупроводника, разделенные переходом . Различают барьерную и диффузионную емкость р–n- перехода.

Барьерная емкость cδ определяется , как

где:

ϕ0 - высота потенциального барьера;

U - напряжение внешнего источника , приложенное к р-n - переходу; Со - емкость р-n перехода при отсутствии внешнего источника ( U=0)

где:

S- площадь запирающего слоя;

ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума;

ε- относительная диэлектрическая проницаемость;

δ- толщина запирающего слоя.

Как уже было отмечено выше, обратное напряжение, приложенное к р- n-переходу приводит к увеличению толщины запирающего слоя и, следовательно, к снижению барьерной емкости. И , наоборот, прямое напряжение, приложенное к р-n-переходу, уменьшает толщину запирающего слоя и увеличивает барьерную емкость.

Диффузионная емкость р–n-перехода С диф. образуется при подключении внешнего источника в прямом направлении ( U > 0 ).Инжекция носителей заряда при этом из одной области кристалла в другую приводит к возникновению около запирающего слоя зарядов противоположной полярности.

20

Это явление схоже с процессами в конденсаторе, изменение зарядов на обкладках которого, пропорционально изменению приложенного напряжения.

где:

Qин ж - изменение величины инжектированного заряда из одной об-

ласти в другую;

U - изменение величины приложенного напряжения.

При прямом напряжении, приложенном к р-n-переходу, барьерная емкость меньше диффузионной.

При обратных напряжениях, превышающих десятые доли вольта, диффузионная емкость практически равна нулю и следует учитывать лишь барьерную емкость р-n-перехода.

Таким образом, р-n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости, управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.

Другие типы p-n-переходов.

Рассмотренный тип p-n-перехода не является единственным, хотя и получил наиболее широкое распространение в полупроводниковой электронике. Среди других типов переходов в первую очередь необходимо отметить

контакты “ металл-полупроводник”.

Контакт металл - полупроводник возникает в месте соприкосновения полупроводникового кристалла n или р - типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла Ам и из полупроводника Ап. Под работой выхода электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на энергетический уровень свободного электрона. Через контакт полупроводника с металлом происходит переход электронов из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. В месте контакта происходит перераспределение электрических зарядов и возникает электрическое поле и контактная разность потенциалов:

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать слой либо обедненный , либо обогащенный носителями электрических зарядов. Когда работа выхода электрона из металла Ам меньше, чем из полупроводника Ап, электроны с большей вероятностью переходят из металла в полупроводник. Если при этом полупроводник n - типа проводимости, то это приводит к появлению

21

обогащенного электронами слоя, а если полупроводник р- типа , то это приводит к появлению обедненного дырками слоя или даже слоя с проводимостью типа n в полупроводнике р - типа - это так называемый инверсный слой.

Когда же Ам > Ап, то в полупроводнике n - типа образуется обедненный слой или даже инверсный, а в полупроводнике р- типа - обогащенный.

В обедненных слоях объемный заряд возникает из-за появления нескомпенсированных основными носителями зарядов ионов примеси, а в обогащенных - благодаря накоплению основных носителей заряда.

Обогащенный слой обусловливает малое сопротивление приконтактной области, но вентильное свойство здесь не проявляется. При наличии обедненного или инверсного слоя контакт металл - полупроводник обладает вентильными свойствами и подобен уже рассмотренному выше р-n-переходу.

Отличительной особенностью контакта металл - полупроводник является то, что в отличие от обычного p-n-перехода здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, то-есть при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов.

Контакт между полупроводниками одного типа проводимости.

22