Лекция 2
.docЛекция 2.
Образование p-n-перехода в равновесном состоянии.
На границе p и n областей имеет место градиент концентрации свободных носителей зарядов. За счет диффузии электроны из n области переходят в p и рекомбинируют (взаимоуничтожаются) там с дырками. Дырки переходят из n в p, рекомбинируя с электронами. В результате вблизи границы в p-области возникает отрицательный заряд, образованный ионами акцепторной примеси, а в n – положительный заряд, образованный ионами донорной примеси. Между зарядами возникают разность потенциалов «φк» и электрическое поле с напряженностью Ек. Это поле препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины p и n областей через p-n-переход.
Область, объединенная свободными носителями заряда на границе p-n областей – p-n-переход.
P-n-переход считается равновесным, если отсутствует внешнее напряжение, приложенное к нему. В равновесном состоянии через p-n-переход движутся два встречных потока зарядов (два тока):
1. Дрейфовый ток неосновных носителей заряда
2. Диффузионный ток, связанный с основными носителями заряда.
Так как внешнее напряжение отсутствует, то эти токи взаимоуравниваются, и результирующий ток через p-n-переход равен «0».
Ipn = Iдиф + Iдр = 0.
Это соотношение называют условием динамического равновесия токов в p-n-переходе.
Основные параметры p-n-перехода.
1. Контактная разность потенциалов:
, где
- концентрация электронов собственного полупроводника (зависит от температуры),
NaNd – концентрация акцепторной (и донорной) примеси соответственно,
– температурный потенциал (равен 25мВ при Т=300 градусов по Кельвину),
– энергия, которую должны приобрести свободные носители заряда, чтобы преодолеть электрическое поле (потенциальный барьер) p-n-перехода.
2. Ширина p-n-перехода: lpn = lp + ln
p-n-переход состоит из двух областей:
-Если Na=Nd, то lp=ln и переход называется симметричным.
-Если Na> <Nd, то lp> <ln (противоположное соотношение), такой переход несимметричен, причем сам переход располагается в области с меньшей концентрацией примеси (слабоконцентрированной).
P-n-переход при внешнем напряжении приложенном к нему.
Внешнее напряжение, приложенное к p-n-переходу, нарушает динамическое равновесие токов, отсюда p-n-переход переходит в неравновесное состояние.
1)P-n-переход считается смещенным в обратном направлении, если к p-области приложен «-», а к n-области – «+» внешнего источника напряжения.
Напряжение направлено согласно с φк, а потому результирующее напряжение на p-n-переходе равно их сумме: Upn = U + φk. Это увеличивает E электрического поля, ширина p-n-перехода возрастает, процесс диффузии полностью прекращается через p-n-переход протекает обратный ток:
Ipn = Iобр = I0 – это тепловой ток неосновных носителей заряда I0. Iдиф обращается в ноль. Величина теплового тока зависит от:
а) Температуры окружающей среды:
Поскольку обратный ток связан с не основными носителями заряда, а их концентрация мала, то величина I0 принимает малые значения. Т0- текущая температура p-n-перехода, -исходное значение температуры окружающей среды, - температура удвоения теплового тока.(50-60С для Si, 90-100С для Ge, отсюда I0 p-n-перехода из Si сильнее зависит от температуры, чем из Ge).
б) I0 зависит от материала p-n-перехода.
()<<() (в 1000 и более раз).
2)p-n-переход смещен в прямом направлении, если к p приложен «+», а к n – «-».
Такое напряжение направлено встречно φк, а потому результирующее напряжение на p-n-переходе уменьшается до величины: Upn= φк-U, это уменьшает E электрического поля, p-n-переход сужается. Возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Через p-n-переход протекает прямой ток: Ipn=Iпрямой=Iдиф (ток диффузии основных носителей заряда).
При возрастании напряжения диффузионный ток резко возрастает и может достигать больших значений, поскольку он связан с основными носителями заряда, концентрация которых велика.
ВАХ p-n-перехода.
Зависимость тока через p-n-переход от напряжения на нем:I=f(U) равна:
Главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. ВАХ p-n-перехода обладает выпрямительными свойствами.
Iпр>>Iобр, что тождественно Rпр<<Rобр
Емкости p-n-перехода.
Способность p-n-перехода накапливать электрический заряд, свидетельствует о том, что он обладает ёмкостью. Различают две емкости p-n-перехода: диффузионную и барьерную.
1.Cбар – барьерная емкость образуется неподвижными ионами примесей. Характеризуется перераспределением заряда в запертом p-n-переходе. Величина этой ёмкости зависит от Uобр на p-n-переходе. Она является преобладающей при обратном смещении:
,где , емкость при
U=0, ν=1/2-1/3, зависит от способа изготовления p-n-перехода:
, где Sp-n – площадь p-n.
2.Диффузионная ёмкость: преобладает при прямом смещении p-n-перехода и характеризуется перераспределением зарядов вблизи p-n-перехода при протекании прямого тока.
, где τn- время жизни неосновных носителей заряда.
Сдиф>>Cбар, но на практике почти не используются, так как имеет малую добротность, поскольку параллельно ей включено сопротивление p-n-перехода смещённого в прямом направлении, величина которого мала.