11. Уравнения непр. и Пуассона. Генерация и рекомбинация.

Помимо теплового возбуждения появление свободных носителей заряда может быть связано с другими причинами, например, в результате облучения. Возникшие таким образом избыточные носители заряда называются неравновесными. Таким образом, полная концентрация носителей заряда равна:

(1)

где n₀ и p₀ – равновесная концентрация, а n и p – неравновесная концентрация электронов и дырок. Если возбуждение избыточных электронов производилось из валентной зоны, а полупроводник однородный и не содержит объемного заряда, то концентрация избыточных электронов равна концентрации избыточных дырок:

После прекращения действия механизма, вызвавшего появление неравновесной концентрации носителей, происходит постепенное возвращение к равновесному состоянию. Процесс установления равновесия заключается в том, что каждый избыточный электрон при встрече с вакантным местом (дыркой) занимает его, в результате чего пара неравновесных носителей исчезает. Явление исчезновения пары носителей получило название рекомбинации. В свою очередь возбуждение электрона из валентной зоны или примесного уровня, сопровождающееся появлением дырки, называется генерацией носителей заряда.

Скорость рекомбинации R пропорциональна концентрации свободных носителей заряда:

(2)

где  – коэффициент рекомбинации. При отсутствии освещения (в темноте) и , величины n₀ и p₀ иногда называют темновыми концентрациями свободных электронов и дырок соответственно. Из формул (1.30) и (1.14) получим:

где E_g = E_C – E_V – ширина запрещенной зоны. Таким образом, G₀ будет больше в узкозонных полупроводниках и при высоких температурах.

Если в полупроводнике нет электрического тока и объемных зарядов, то изменение во времени неравновесных концентраций электронов и дырок в зонах определяется уравнениями:

(3)

Скорости (темпы) генерации и рекомбинации имеют две составляющие:

где G, R – темпы генерации и рекомбинации только неравновесных электронов, то есть G – это темп генерации электронов и дырок за счет освещения полупроводника, и .

Используя равенство (1) и (2), уравнение (3) можно свести к следующему:

(4)

Рассмотрим процесс рекомбинации неравновесных носителей заряда (то есть при выключении освещения в момент времени t = 0). Общее решение уравнения (4) довольно сложное. Поэтому рассмотрим два частных случая.

В собственном полупроводнике при сильном освещении . Из (4) получим:

где n₀ – начальная концентрация неравновесных носителей заряда. Спад концен

15. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт‑амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе p‑n перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды

Характеристики идеального диода на основе p‑n перехода

Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Как было показано в главе 2, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке 4.1а, б, и описывается уравнением (4.1). В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода:

а) вольт‑амперная характеристика; б) конструкция корпуса

,

(4.1)

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристичные сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

Выпрямление в диоде

Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p‑n перехода является резкая асимметрия вольт‑амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке 4.2 приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде.

Рис. 4.2. Схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока с помощью диода [10, 20]

Рассмотрим, каков будет коэффициент выпрямления идеального диода на основе p‑n перехода. Для этого рассчитаем по уравнению (4.1) коэффициент выпрямления К как отношение прямого тока к обратному току диода при значениях напряжения U =  0,01 В; 0,025 В; 0,1 В; 0,25 В; 1 B. Получаем:

15б

. (4.2)

Учтем, что величина  ^-1 при комнатной температуре составляет  В. Результаты расчета приведены в таблице. Как следует из таблицы и соотношения (4.2), при значениях переменного напряжения, модуль которого V_G меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях V_G по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения V_G =  0,1 В.

Варикапы

Зависимость барьерной емкости С_Б от приложенного обратного напряжения V_G используется для приборной реализации. Полупроводниковый диод, реализующий эту зависимость, называется варикапом. Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом напряжении V_G. При увеличении обратного смещения емкость варикапа уменьшается. Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения V_G. Задавая профиль легирования в базе варикапа N_D(x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения C(V_G) – линейно убывающие, экспоненциально убывающие. На рисунке 4.4 показана зависимость емкости варикапов различных марок от приложенного напряжения.

Рис. 4.4. Конструкция варикапа (а) и зависимость емкости варикапа от напряжения для различных варикапов (б – КВ116А, в – КВ126А, г – КВ130А) [23, 25]

11б

трации происходит по параболическому закону.

В донорном полупроводнике в случае полной ионизации доноров n₀ = N_D, p₀ << n₀. Будем также считать, что n << N_D. Уравнение (4) сводится к виду:

(5)

где введено обозначение:

.

Уравнение (5) легко решается:

(6)

Величина  имеет смысл среднего времени электронов в зоне проводимости. Из (6) видно, что процесс рекомбинации описывается экспоненциальной зависимостью от времени, причем среднее время жизни представляет собой такой отрезок времени, за который концентрация избыточных носителей изменяется в “е” раз.

В заключение отметим, что неравновесные носители заряда появляются только в том случае, если энергия фотонов при освещении полупроводника превышает ширину запрещенной зоны (h > E_g).

Динамика изменения неравновесных носителей по времени при наличии генерации и рекомбинации в полупроводнике, а также при протекании электрического тока определяется уравнением непрерывности. Для полупроводника n‑типа уравнение непрерывности будет описывать динамику изменения концентрации дырок p_n:

где J_p – дырочный ток, включающий дрейфовую и диффузионную компоненту, G_p – темп генерации неравновесных носителей, а R_p – темп рекомбинации.

Уравнение непрерывности – это уравнение сохранения числа частиц в единице объема. Это уравнение показывает, как и по каким причинам изменяется концентрация неравновесных дырок со временем. Во-первых, концентрация дырок может изменяться из-за дивергенции потока дырок, что учитывает первое слагаемое. Во-вторых, концентрация дырок может изменяться из-за генерации (ударная ионизация, ионизация под действием света и т. д.). В-третьих, концентрация дырок может изменяться из-за их рекомбинации, что учитывает третье слагаемое.

Связь электрического поля и потенциала в p‑n переходе описывается уравнением Пуассона. В одномерном приближении это уравнение имеет вид:

где (x) – зависимость потенциала от координаты, (x) – плотность объемного заряда, _s – диэлектрическая проницаемость полупроводника, ₀ – диэлектрическая постоянная.