Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

Рис. 2.9

диффузионная емкость умень-

шается с ростом частоты, и при

ro » 4/'tэФ она стремится к нулю, поскольку в течение малого пе-

риода т = ro27t « 'tэф заряд не успевает изменяться синхронно с

напряжением и dQP/dU =О.

Эквивалентная схема р-n-перехода. Для многих практических применений при разработке электронных схем необходимо ана­ литическое описание полупроводниковых приборов, когда сами приборы заменяются электрическими моделями. Наиболее рас­ пространенным способом моделирования прибора является его

эквивалентная электронная схема, представляющая прибор в

виде соединения простейших элементов: резисторов, конденса­

торов, индуктивностей, идеализированных диодов и т. п. Пара­

метры указанных элементов и их взаимосвязь на постоянном и

переменном токе определяются различными соотношениями. То­

ки и напряжения на внешних выводах вычисляются из эквива­

лентной схемы методом теории цепей.

нелинейна. На рис. 2.10 приведена эквива­

лентная схемар-п-перехода (диода), кото­ рая является одной из наиболее распрост­ раненных. На этом рисунке диод VD мо­

делирует идеализированный р-п-переход, r 6 - объемное сопротивление базы, R06P

реходе и ток утечки:. Поскольку в общем случае эти токи за­

висят от напряжения нелинейно, то R06P является функцией обратного напряжения и для ее задания необходима определен­

ная аппроксимация и дополнительные параметры. Для прак­

тических целей часто используют R06P в виде постоянного резис­

тора, что соответствует линейной аппроксимации обратной вет­

ви БАХ в заданном диапазоне изменения И06Р. Поскольку ре­ зистор R06P имеет большую величину, то при прямых смещени­

ях он практически не влияет на ток, и его можно не учитывать.

Описанная модель не учитывает эффект модуляции сопро­ тивления базы, ток рекомбинации, пробой, частотную зависи­

мость Сдиф и ряд других явлений. Для учета этих особенностей

реального р-п-перехода требуются более сложные модели.

2.5. Переходные процессы в р-n-переходе

При использовании диодов (р-п-переходов) в качестве пере­ ключателей и в различных импульсных схемах требуется, что­

бы время перехода от прямого смещения к обратному было по

возможности малым, т. е. временные интервалы переходных

процессов должны быть минимальными. Процессы установле­

ния напряжения или тока в р-п-переходе при воз.действии им­

пульсных сигналов называются переходными процессами.

ПереходнЬl:е процессы в р-п-переходе связаны в основном с

двумя явлениями:

1) накоплением неосновных носителей в базе р-п-перехода

при его прямом включении и их рассасыванием при снятии

или уменьшении напряжения;

2) перезарядкой барьерной емкости.

Движение неосновных носителей в базе носит преимущест­ венно диффузионный характер и в силу этого происходит доста­ точно медленно, поэтому накопление носителей в базе и их рас­

сасывание влияет на инерционные свойства р-п-переходов в

режиме переключения.

При больших плотностях тока через переход основную роль

играет накопление неосновных носителей, и· перезарядкой

барьерной емкости можно пренебречь.

Для малых плотностей тока импульсные процессы в перехо-· де определяются в основном перезарядкой барьерной емкости.

пренебречь падением напряжения на сопротивлении базы, и на­ пряжение на переходе Ип плавно и монотонно увеличивается по мере заряда барьерной емкости (рис. 2.12, в).

менения тока градиент концентрации .дырок dpn/dx изменяет

знак на противоположный на границе перехода. В момент t 3 на

границе базы со стороны перехода (х =О) имеет Рп(О) = Рпо• где Рпо - исходная концентрация дырок (неосновных носителей) в

п-базе. В это время напряжец:ие на переходе становится равным нулю (см. рис. 2.12, в, г, момент t = t 3) и заканчивается первая стадия - стадия высокой обратной проводимости. За время t 3 - t2 из базы удаляется большая часть избыточного заряда. Длитель­ ность первой стадии Т1 прямо пропорциональна времени жизни

дырок в базе и зависит от соотношения прямого I г2 и обратного ·

I обр токов через переход. Время Т1 может быть вычислено по

формуле Т1 = 't6ln (1 + Iг1//06рмакс), т. е. Т1 определяется диф­

фузионной емкостью. Пр:И t > t 3 происходит восстановление об­

ратного сопротивления перехода, сопровождающееся уменьшени­

ем обратного тока. Ток в этой стадии процесса определяется не только переходом оставшихся избыточньiх неосновных носите­ лей из базы в эмиттер, но и перезарядкой барьерной емкости.

При большом обратном токе I обр (при малом внешнем сопротив­ лении R) емкость перезаряжается быстро, а при малом токе J 06P

переходной процесс более длителен и Т2 = RСбар при R » r 6 • При­ нято считать, что стадия восстановления обратного напряже­ ния заканчивается при I обр = О, 11п, и ее продолжительность оп­

ределяется временем Т2 (см. рис. 2.12, б, в, г).

Таким образом, рассмотренные явления позволяют заклю­

чить, что длительности переходных процессов определяются зна­

чениями барьерных и диффузионных емкостейр-п-перехода.

2.6. Контакты металл-полупроводник

Электрические переходы металл-полупроводник применя­

ются для создания диодов, транзисторов и омических. контак­

тов, при изготовлении внешних выводов полупроводниковых

приборов и интегральных схем.

При непосредственном контакте металла с полупроводником

высота возникающего потенциального барьера для электронов зависит от работы выхода металла и плотности поверхностных состояний.

Работой выхода называется разность энергий между уровнем

Ферми и уровнем свободного пространства (вакуума) Евак· Для

металла эта величина соответствует qq>m, а в полупроводнике

п-типа она равна q(X + Ип) (рис. 2.14, а, правый), где qx- раз­

ность энергий между энергией дна зоны проводимости Еп и уровнем вакуума Евак (электронное сродство), qUn - разность

энергий между уровнем дна зоны проводимости Еп и ур,0внем

Ферми ЕФ • Разность работ выхода металла и п-полупроводни-

п

ка, равная q(Ч'т - Х - Ип), определяет контактную разность по-

тенциалов qq>~, т. е. qq>~ = q(q>m - Х - Ип>·

Оценим высоту барьера для рассматриваемого контакта. Зонные диаграммы равновесного контакта металла с р- и п-по­

лупроводниками приведены на рис. 2.14, а, где ЕФ; - уровень Ферми для собственного полупроводника. Рассмотрим сначала соединение металла с п-полупроводником, работа выхода элект­ ронов у которого меньше, чем у металла. В этом случае часть электронов переходит из полупроводника в металл. В результа­

те в полупроводнике появится обедненный слой, содержащий положительный заряд ионов доноров. Переход электронов бу­

дет происходить до тех пор, пока уровни Ферми в обоих мате­

риалах не сравняются (ЕФ = ЕФ ), т. е. уровень Ферми п-полу-

мп

проводника (ЕФ ) понизится относительно уровня Ферми в ме- n

талле ЕФ на величину qq>~, равную разности соответствующих

м

работ выхода. На такую же величину понизится уровень вакуума Евак (см. рис. 2.14, а, правый). В результате энергия, соот­

ветствующая высоте потенциального барьера qq>n (рис. 2.14, а),

преодолеваемого электронами при переходе из металла с уров­

ня ЕФ в зону проводимости полупроводника (при идеальном

м

контакте п-полупроводника и металла, когда работа выхода из