Заочники Электроника 2013 - копия / Конспект лекций / Лекция 12

Лекция 12

3. Неравновесное состояние p-n перехода

Если подключить источник э.д.с. U между p- и n-слоями, то равновесие перехода нарушится и в цепи потечет ток. Поскольку удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления нейтральных слоев, то внешнее напряжение практически полностью падает на переходе и изменяет высоту потенциального барьера.

1. Прямосмещенный p-n переход

Если к p-области подсоединить положительный полюс внешнего источника напряжения, а к n-области – отрицательный, такое включение p-n перехода получило название прямого смещения p-n перехода.

В этом случае под действием внешнего электрического поля основные носители заряда начнут перемещаться в сторону p-n перехода. На рис. 6 представлены схема включения p-n перехода в прямом направлении и диаграмма распределения потенциала вдоль p-n перехода.

При подаче внешнего напряжения на p-n переход изменяется его ширина, что видно из потенциальной диаграммы рис.6. При этом ширина прямосмещенного p-n перехода находится из выражения

,

где – ширина p-n перехода в равновесном состоянии.

Из потенциальной диаграммы рис.6 следует, что при прямом смещении высота потенциального барьера снижается и становится равной

.

В результате частичной компенсации внешним напряжением потенциального барьера происходит резкое увеличение тока диффузии через переход: i_D = i_Dp+i_Dn, так как все больше основных носителей заряда оказываются способными преодолеть уменьшившийся потенциальный барьер. Следовательно, существовавший в равновесном состоянии баланс токов диффузии и дрейфа нарушается и через переход потечет ток, который называется прямым.

Рис. 6. Схема включения и диаграмма распределения потенциала для прямо-смещенного p-n перехода

На рис.6 обозначено: U_пр – напряжение внешнего источника, приложенного к p-n переходу в прямом направлении (прямое смещение p-n перехода); E_вн – напряженность внешнего электрического поля; 1 – распределение потенциала вдоль p-n перехода в равновесном состоянии; 2 – распределение потенциала вдоль p-n перехода при прямом смещении; l₀ – ширина p-n перехода в равновесном состоянии; l_пр – ширина p-n перехода при подаче прямого напряжения U_пр.

В несимметричном p-n переходе ток диффузии создается в основном потоком дырок из p-области в n-область, так как встречный поток электронов мал и им можно пренебречь: (N_А = 10¹⁸см^-3)>>(N_Д = 10¹⁵см^-3); i_Dp>>i_Dn. При этом в n-области существенно возрастает концентрация избыточных неосновных носителей заряда – дырок, перешедших из p-области. Это образование избыточной концентрации носителей заряда получило название инжекции.

Инжекцией называется процесс нагнетания (введения) носителей заряда через p-n переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, для которого они являются неосновными носителями заряда. В несимметричном переходе инжекция имеет односторонний характер. Область, инжектирующая носители заряда, называется эмиттером. Эта область сильно легирована примесями и имеет низкое удельное электрическое сопротивление. Область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, называется базой. База меньше легирована примесями и имеет большее значение удельного электрического сопротивления.

В области базы инжектированные из эмиттера дырки за счет наличия градиента концентрации распространяются вглубь базы, рекомбинируют с электронами базы, при этом концентрация дырок уменьшается, приближаясь к равновесной.

Закон изменения концентрации дырок в базе описывается функцией

,

где p_n – концентрация дырок в базе; p_n0 – равновесная концентрация дырок в базе; L_Р – диффузионная длина дырок в базе; p – избыточная концентрация дырок на границе базы с p-n переходом.

График зависимости концентрации дырок в базе представлен на рис.7. Избыточная концентрация дырок в базе является функцией приложенного прямого напряжения: p = f(Uпр). На рис.7 точка А соответствует диффузионной длине дырок в базе.

Рис. 7. Зависимость концентрации дырок в базе

Отрезок, на котором избыточная концентрация неосновных носителей заряда (дырок) уменьшается в e (2,72…) раз вследствие рекомбинации, называется длиной диффузии (L_p). На участке длиной (3…4)L избыточная концентрация уменьшается 20…50 раз, т.е. становится пренебрежимо малой по сравнению с исходной. Учитывая выражение для диффузионной скорости

,

можно дать еще одно определение L: диффузионная длина есть то расстояние, которое носители заряда в процессе диффузии проходят за время жизни (τ).

В результате инжекции в p- и n-областях на границах перехода окажутся дополнительные носители заряда, неосновные для данной области. Вблизи p-n перехода концентрации дырок в n- области и электронов в p- области оказываются больше равновесной концентрации, определяемой по закону действующих масс:

, .

Значит, в каждом из слоев появляются избыточные носители (т.е. происходит инжекция):

, .

Из этого следует, что избыточные концентрации неосновных носителей заряда на границе p-n перехода увеличиваются по экспоненциальному закону в зависимости от напряжения, приложенного к нему.

Дополнительные неосновные носители заряда в течение времени (35) _ компенсируются основными носителями заряда, которые приходят из объема полупроводника (где _.- время диэлектрической релаксации). В результате на границе p-n-перехода появляется заряд созданный основными носителями заряда, и выполняется условие , . Электронейтральности полупроводника восстанавливается. Такое перераспределение основных носителей заряда приводит к появлению электрического тока во внешней цепи, так как по ней поступают носители заряда взамен ушедших к p-n-переходу и исчезнувших в результате рекомбинации.

Приведенные выше соотношения справедливы для условия низкого уровня инжекции. Уровень инжекции δ – отношение концентрации избыточных носителей (инжектированных) к равновесной концентрации основных носителей базы, т.е. . Низкому уровню инжекции соответствует неравенство δ<<1, т.е. .

Энергетическая диаграмма p-n перехода при прямом смещении приведена на рис.8.

При прямом смещении уровень Ферми полупроводника в n-области смещается вверх относительно его положения в p-области на величину, равную qUпр. Соответственно на эту же величину снижается высота энергетического барьера. При этом дрейфовая составляющая тока p-n перехода не изменяется, так как условия перехода неосновных носителей заряда через p-n переход остаются теми же, что и в равновесном состоянии, то есть переход неосновных носителей заряда происходит в ускоряющем электрическом поле p-n перехода. Из-за снижения высоты энергетического барьера количество переходов основных носителей заряда в тормозящем электрическом поле p-n перехода будет резко увеличиваться, а, следовательно, возрастает диффузионная составляющая тока перехода.

Р ис. 8. Энергетическая диаграмма прямосмещенного p-n перехода

Дрейфовая составляющая тока при приложении прямого напряжения остается практически без изменения. Это обусловлено тем, что создающие этот ток неосновные носители генерируются вблизи p-n-перехода на расстоянии, меньшем диффузионной длины L (где L – среднее расстояние, на которое носитель диффундирует за время жизни). Те заряды, которые рождаются на большом расстоянии, в основном рекомбинируют не дойдя до перехода. Изменение ширины перехода для носителей заряда этого происхождения не играет существенной роли. Они как генерировались в пределах толщины, определяемой диффузионной длиной, так и будут генерироваться. Соответственно ток, обусловленный движением этих носителей заряда, останется без изменения, т.е. таким же, как и в равновесном состоянии.

Таким образом, для несимметричного (Nа >> Nд) прямосмещенного p-n перехода характерны следующие соотношения между токами:

i_Dp >> i_Dn, i_D >> i_E.

2. Обратносмещенный p-n переход

Если к p-области подключить отрицательный полюс внешнего источника напряжения, а к n-области – положительный, то такое включение p-n перехода получило название обратного смещения p-n перехода. Схема включения p-n перехода представлена на рис.9.

Р ис. 9. Схема включения и диаграмма распределения потенциала для обратно-смещенного p-n перехода

На рис.9 обозначено: l₀ – ширина p-n перехода в равновесном состоянии, определяемая по зависимости 1 – распределение потенциалов в равновесном состоянии p-n перехода; lобр – ширина p-n перехода при обратном смещении, определяемая по зависимости 2 – потенциальная диаграмма при обратном смещении p-n перехода; _к – высота потенциального барьера в равновесном состоянии p-n перехода; (_к+Uобр) – высота потенциального барьера при обратном смещении p-n перехода.

Под действием обратного напряжения Uобр основные носители заряда будут перемещаться от границ p-n перехода вглубь областей. При этом ширина p-n перехода увеличивается, что хорошо демонстрируется потенциальной диаграммой рис.9.

Ширина обратносмещенного p-n перехода определяется по формуле

.

Приближенная запись для lобр оправдана, так как Uобр>>_к. Из формулы для lобр видно, что p-n переход расширяется не линейно с увеличением приложенного напряжения Uобр: вначале более быстро, затем расширение p-n перехода замедляется.

При подаче Uобр увеличивается потенциальный барьер, так как напряженность внешнего электрического поля Eвн совпадает с направлением напряженности внутреннего электрического поля Eк, уменьшается число основных носителей заряда, способных его преодолеть, и ток диффузии уменьшается. Уже при Uобр=(0,1…0,2) В ток диффузии становится равным нулю, а через p-n переход протекает только ток неосновных носителей заряда, образующих дрейфовую составляющую тока.

В результате действия обратного напряжения снижается концентрация неосновных носителей заряда у границ p-n перехода и появляется их градиент концентрации. Возникает диффузия неосновных носителей заряда к границам p-n перехода, где они подхватываются электрическим полем p-n перехода и переносятся через p-n переход. Это поясняется диаграммой распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в областях p-n перехода, приведенной на рис.10, на котором обозначено: L_n, L_p – длина диффузии электронов и дырок.

Как показано на рис.10, концентрация неосновных носителей заряда на границах p-n перехода практически падает до нуля. Снижение концентраций неосновных носителей заряда у границ p-n перехода, появление градиента их концентрации и диффузия неосновных носителей заряда к p-n переходу характеризуются экстракцией.

Экстракцией называется извлечение неосновных носителей заряда из областей, прилегающих к p-n переходу на расстоянии диффузионной длины, возникающее при увеличении высоты потенциального барьера.

Р ис. 10. Распределение концентраций носителей заряда в обратносмещенном p-n переходе

Энергетическая диаграмма обратносмещенного p-n перехода приведена на рис.11.

При обратном смещении уровень Ферми полупроводника в n-области смещается вниз относительно его положения в p-области на величину, равную qUобр. Соответственно на эту же величину повышается высота энергетического барьера.

Обратный ток включает дрейфовую составляющую и равен:

.

С учетом принятых допущений имеем p_n>>n_p и i_Ep>>i_En, а следовательно, можно приближенно записать ; таким образом, дрейфовый ток несимметричного p-n перехода создается в основном неосновными носителями заряда базы (слаболегированная область p-n перехода), т.е. преобладает экстракция неосновных носителей заряда из базы.

Рис. 11. Энергетическая диаграмма обратносмещенного p-n перехода