Емкости p-n-перехода
При подаче на p-n-переход переменного напряжения проявляются емкостные свойства.
Образование p-n-перехода связано с возникновением пространственного заряда, создаваемого неподвижными ионами атомов доноров и акцепторов. Приложенное к p-n-переходу внешнее напряжение изменяет величину пространственного заряда в переходе. Следовательно, p-n переход ведет себя как своеобразный плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область пространственного заряда, обедненная носителями заряда и имеющая большое сопротивление.
17
Такая емкость p-n-перехода называется барьерной. Барьерная емкость CБ может быть рассчитана по формуле
,
где
S - площадь p-n-перехода; ·0 - относительная () и абсолютная (0) диэлектрические проницаемости; - ширина p-n-перехода.
Особенностью барьерной емкости является ее зависимость от внешнего приложенного напряжения. С учетом (2.2) барьерная емкость для резкого перехода рассчитывается по формуле:
,
где знак ” + “ соответствует обратному , а ”-“ прямому напряжению на переходе.
рис. 2.6 Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения
В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная емкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением rpn .
18
Кроме барьерной емкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной емкостью. Диффузионная емкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы.
Диффузионная емкость может быть рассчитана следующим образом:
,
где tn - время жизни электронов в базе.
Величина диффузионной емкости пропорциональна току через p-n-переход. При прямом напряжении значение диффузионной емкости может достигать десятков тысяч пикофарад. Суммарная емкость p-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей. При обратном напряжении CБ > CДИФ; при прямом напряжении преобладает диффузионная емкость CДИФ >> CБ.
Рис. 2.7 Эквивалентная схема p-n-перехода на переменном токе
На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n-перехода rpn включены две емкости CБ и CДИФ ; последовательно с rpn включено объемное сопротивление базы rБ.
19
С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p-n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, rpn шунтируется емкостным сопротивлением и общее сопротивление p-n-перехода определяется объемным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n-переход теряет свои нелинейные свойства.
20
Способы получения р - n-Перехода
Сплавные переходы получают, нанося на полупроводниковую кристаллическую подложку "навеску" легкоплавкого металлического сплава, в состав которого входит необходимое легирующее вещество. При нагреве образуется область жидкого расплава, состав которого определяется совместным плавлением навески и подложки. При остывании формируется рекристаллизация . Область полупроводника, обогащённая легирующими атомами. Если тип легирования этой области отличен от типа легирования подложки, то образуется резкий р - n-переход, причём его металлургическая граница х0совпадает с границей рекристаллизации области. В сплавных переходах на этой поверхности разность изменяется скачком (резкий р - n-переход). При вытягивании из расплава формирование перехода происходит в процессе роста полупроводникового слитка путём дозированного изменения состава легирующих примесей в расплаве. Диффузионные переходы получают диффузией легирующих примесей из источников в газообразной, жидкой и твёрдой фазах. Имплантированные переходы образуются при ионной имплантации легирующих примесей. Эпитаксиальные переходы получают методом эпитаксиального выращивания или наращивания, в т. ч. методом молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющим пространственно наиболее тонко (с разрешающей способностью до 1 нм) регулировать закон изменения NД(x) - Na(x). Часто применяются комбинированные способы: после вплавления, имплантации или эпитаксиального выращивания производится диффузионная доводка структуры. При получении р - n-П. регулируется не только легирование р- и n-областей, но и структура всего переходного слоя; в частности, получается необходимый градиент а = d(NД - Na)/dx в точке металлургич. перехода х = х0. В большинстве случаев применяются асимметричные р+ - п- или п+ - р -П., в к-рых легирование одной из областей (+) намного сильнее другой.
21
Применения, р - n-П. обладает нелинейной ВАХ с большим коэфицентом выпрямления, на чём основано действие выпрямительных (полупроводниковых) диодов. За счёт изменения толщины обеднённого слоя с изменением напряжения U он имеет управляемую нелинейную ёмкость .
Включённый в прямом направлении, он инжектирует носители из одной своей области в другую. Инжектированные носители могут управлять током др. р - n-переход , рекомбинировать с излучением света, превращая р - n-Переход. в электролюминесцентный источник излучения , инерционно задерживаться в области инжекции при быстрых переключениях напряжения на р - n-П. Ток р - n-П. управляется светом или др. ионизирующими излучениями . Свойства р - n-П. обусловливают их применение в разл. приборах: выпрямительные, детекторные, смесительные диоды ,биполярные и униполярные транзисторы; туннельные диоды; лавинно-пролётные диоды (СВЧ-генераторы); фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы; тиристоры, фототиристоры; фотоэлементы, солнечные батареи; светодиоды, инжекционные лазеры; детекторы частиц и др. р - n-переход вытесняются Шоттки барьерами , изотипными гетеропереходами, планарно-легированными барьерами.
22