шпоргалка / Шпоры по электрон распечатано

6. ВАХ реального p-n перехода.

При выводе ВАХ идеализированного p-n перехода учитывались лишь самые главные физические эффекты: инжекция и экстракция неосновных носителей и их диффузия в нейтральных областях, прилегающих к p-n переходу. В реальных p-n переходах кроме указанных выше наблюдаются другие физические эффекты, влияющие на вид ВАХ. Рассмотрим прямую ветвь ВАХ. В области p-n перехода, как и в нейтральных областях полупроводника, происходит рекомбинация носителей. Электроны n-области, обладающие достаточной энергией, могут попасть в обедненный слой и рекомбинировать с там с дырками, приходящими из p-области. При этом электроны уходят из n-области, а дырки – из p-области. Вследствие такого движения носителей возникает дополнительный прямой ток, называемый током рекомбинации. Полный прямой ток p-n перехода складывается из тока инжекции I_инж и тока рекомбинации I_рек. Следовательно, в реальном p-n переходе прямой ток больше, чем в идеализированном. Рассмотрим влияние сопротивления базы. При выводе ВАХ идеализированного p-n перехода сопротивление базы полагается равным нулю. В реальных p-n переходах оно составляет десятки и сотни Ом. При этом внешнее напряжение распределяется между обедненным слоем и базовой областью. Тогда в ВАХ идеализированного p-n-перехода I = I₀[exp(U/φ_Т)-1] вместо U имеет смысл подставить разность (U – Ir_б). Тогда I = I₀[exp((U–Ir_б)/φ_Т)-1] или

U = φ_Тln[(I/I₀)+1] + Ir_б. При малых прямых токах второе слагаемое можно не учитывать. Однако с ростом тока падение напряжения на базе может превысить падение напряжения на p-n переходе, при этом на ВАХ появится почти линейный участок. Теперь рассмотрим обратную ветвь ВАХ. В реальном p-n переходе при обратном напряжении электроны и дырки, образующиеся в обедненном слое вследствие термогенерации, движутся в электрическом поле в противоположных направлениях: электроны – в сторону n-области, а дырки – в сторону p-области. Дрейфовое движение этих носителей образует ток генерации I_г. Следовательно, обратный ток реального p-n перехода больше, чем идеального. Ток генерации увеличивается с ростом обратного напряжения из-за расширения обедненного слоя. I_г/I₀  exp[ΔE_З/2kT], т.е. доля тока генерации в обратном токе тем выше, чем больше ширина запрещенной зоны и ниже температура. Рассмотрим так же токи утечки. Реальные p-n

6. Ёмкости p-n перехода.

Рассмотрим случай обратного включения. В обедненном слое p-n перехода по обе стороны от металлургической границы существуют равные по значению и противоположные по знаку объемные заряды, обусловленные ионами примесей. В зависимости от приложенного напряжения изменяется толщина обедненного слоя и, следовательно, значение зарядов Q_об. Это говорит о том, что p-n переход обладает электрической емкостью. Эта емкость называется барьерной и C_бар = dQ_об/dU. Зависимость Q_об(U) нелинейна, поэтому барьерная емкость зависит от напряжения. , где . Видно, что барьерная емкость совпадает с емкостью плоского конденсатора с расстоянием между обкладками, равным толщине обедненного слоя. Аналогия с плоским конденсатором позволяет наглядно пояснить свойства барьерной емкости. Например, с ростом модуля обратного напряжения барьерная емкость уменьшается из-за увеличения L_об, т.е. расстояния между обкладками конденсатора. Повышение концентрации примесей увеличивает емкость, так как расстояние между обкладками уменьшается. Зависимость емкости от напряжения называют вольт-фарадной характеристикой. Для p⁺-n перехода в безразмерных координатах она показана на рисунке. Здесь C_бар(0) – значение емкости при U = 0. Форма вольт-фарадной характеристики в общем случае зависит от распределения концентраций примесей в p-n переходе и выражается сложными функциями, поэтому применяют аппроксимацию C_бар(U) = C_бар(0)/(1-U/φ₀)^m. Типичные значения m = 0,3 … 0,5. Для перехода со специальным распределением примесей m > 1. По вольт-фарадной характеристике можно определить тип перехода. Теперь рассмотрим прямое включение. В этом случае существуют две физические величины, обуславливающие емкость p-n перехода. Первая из них – та же, что и для обратного напряжения, это изменение зарядов в обедненном слое. Вторая заключается в том, что в зависимости от напряжения, приложенного к p-n переходу, изменяются концентрация инжектированных носителей в нейтральных областях вблизи границ перехода и значение накопленного заряда, обусловленного этими носителями. Полная емкость представляется в виде суммы двух слагаемых C = C_бар + C_дф, где C_дф – диффузионная емкость. Такое название отражает то, что изменение заряда неосновных носителей происходит в результате диффузии.

1. Параметры, эквивалентные схемы p-n переходов.

На рисунке показана эквивалентная схема (модель) идеализированного p-n перехода для большого сигнала (U_m >> φ_Т), содержащая конденсатор C = C_бар + C_дф и безынерци-онный диод, ВАХ которого соответствует ВАХ идеализированного p-n перехода I = I₀[exp(U/φ_Т)-1] (а). Для малого сигнала эвивалентная схема состоит из конденсатора и резистора, сопротивление которого определяется r_диф=dU/dI=φ_Т/(I+I₀) (б). В эквивалентной схеме реального p-n перехода учитывается сопротивление базы (в) (для большого сигнала).

2. Пробой p-n перехода. Виды пробоев.

Пробоем называют резкое увеличение тока через переход в области обратных напряжений, превышающих напряжение, называемое напряжением пробоя. Существуют три основных вида (механизма) пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Туннельный пробой связан с туннельным эффектом – переходом электронов сквозь потенциальный барьер без изменения энергии. Туннельный эффект наблюдается только при очень малой толщине барьера – порядка 10 нм, т.е. в переходах между сильнолегированными p⁺- и n⁺-областями. На рисунке показана энергетическая диаграмма p⁺-n⁺-перехода при обратном напряжении, стрелкой обозначено направление туннельного перехода электрона из валентной зоны p⁺-области в зону проводимости n⁺-области. Электрон туннелирует из точки 1 в точку 2, он проходит под энергетическим барьером треугольной формы (заштрихованный треугольник с вершинами в точках 1-3), энергия электрона при этом не меняется. Туннельный пробой в чистом виде проявляется только при высоких концентрациях примесей. При повышении температуры ширина запрещенной зоны незначительно уменьшается и напряжение пробоя снижается. Таким образом, температурный коэффициент напряжения туннельного пробоя отрицателен. Лавинный пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, в котором носители на длине свободного пробега приобретают энергию,

11. Переходы металл-полупроводник.

Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей приборов и создания быстродействующих диодов. Тип контакта металл – полупроводник определяется работой выхода электронов из металла и полупроводника, знаком и плотностью поверхностного заряда на границе раздела, а также типом проводимости полупроводника и концентрацией примесей в нем. Выпрямляющим называется контакт с нелинейной ВАХ типа I = I₀[exp(U/φ_Т)-1], прямое сопротивление которого меньше обратного. Для получения выпрямляющего контакта между металлом и полупроводником n-типа работа выхода электронов из полупроводника должна быть меньше, чем из металла, или должна быть велика плотность отрицательного поверхностного заряда. Если работа выхода электронов из n-полупроводника меньше, чем из металла, то при образовании контакта часть электронов переходит из полупроводника в металл. В полупроводнике появляется обедненный слой, содержащий положительный заряд ионов доноров. В обедненном слое возникает электрическое поле, препятствующее диффузии электронов к контакту. Как и у p-n перехода, равновесное состояние характеризуется определенными значениями напряженности поля, высоты потенциального барьера и толщины обедненного слоя, который целиком расположен в полупроводнике вследствие предельно высокой концентрации свободных электронов в металле. В контакте металла с полупроводником р-типа отрицательный поверхностный заряд способствует обогащению приповерхностного слоя полупроводника дырками. Поэтому при отрицательном поверхностном заряде обедненный слой (и выпрямляющий контакт) для полупроводника р-типа можно получить только в том случае, когда работа выхода из металла меньше, чем из полупроводника. При этом электроны из металла переходят в валентную зону полупроводника, что приводит к уменьшению концентрации дырок в его приповерхностной области. Теперь рассмотрим неравновесный случай. Рассмотрим представленные на рисунке неравновесные энергетические диаграммы контакта алюминий — кремний n-типа. При прямом напряжении (плюс — к металлу) потенциальный барьер, препятствующий переходу электронов из полупроводника в металл, понижается пропорционально U (а), а уровень Ферми Е_фп в полупроводнике смещается вверх на величину qU. Прямой ток через контакт образуют электроны полупроводника, энергия которых достаточна для преодоления пониженного барьера q(φ_мп0-U).

Например, диффузия носителей от границ перехода увеличивает полные заряды дырок Q_p в n-области и электронов Q_n в p-области. Для малого синусоидального сигнала на низких частотах [f << 2/_эф] диффузионная емкость Cдф = k(dQp/dU)=kI₀_эфexp[U₌/φ_Т]/φ_Т, где k = 0,5 … 1 – коэффициент, зависящий от толщины базы, U₌ - постоянная составляющая напряжения, _эф – эффективное время жизни неосновных носителей в базе. Для быстро меняющихся импульсных сигналов данная формула непригодна.

переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводникового кристалла. На поверхности вследствие загрязнений и влияния поверхностного заряда между p- и n-областями могут образовываться проводящие пленки и каналы, по которым идет ток утечки. Он увеличивается пропорционально напряжению и при достаточно большом обратном напряжении может превысить тепловой ток и ток генерации. Для тока утечки характерна слабая зависимость от температуры.

При обратном напряжении (минус — к металлу) потенциальный барьер повышается пропорционально |U| (б). Обратный ток I₀ образуется электронами, переходящими из металла в полупроводник, энергия которых достаточна для преодоления барьера qφ`<sub>мп</sub> I<sub>0</sub> = = SAT<sup>2</sup>exp[-φ`_мп/φ_Т], где S – площадь контакта, A – постоянная, для кремния равная 110. Обратный ток экспоненциально увеличивается при повышении температуры. Рассмотрим также омический контакт. Он используется практически во всех полупроводниковых приборах для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей; для него характерны близкая к линейной ВАХ и малое сопротивление. В омических контактах металл — полупроводник за счет использования соответствующего металла в приконтактной области полупроводника образуется слой, обогащенный основными носителями и имеющий малое сопротивление. Кроме того, при больших концентрациях примесей для рассмотренных выше контактов толщина обедненного слоя уменьшается настолько, что наблюдается туннельный ток. При этом контакт хорошо проводит ток в обоих направлениях, т. е. является омическим. Таким образом, выпрямляющий контакт можно получить только для полупроводника с низкой концентрацией примесей.

достаточную для образования новых электронно-дырочных пар путем ударной ионизации атомов полупроводника. При повышении температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, что объясняется уменьшением длины свободного пробега носителей. При меньшей длине пробега требуется большая напряженность электрического поля для того, чтобы носители приобрели энергию, достаточную для ударной ионизации. Таким образом, температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен. Тепловой пробой обусловлен нагреванием p-n-перехода вследствие выделения теплоты при прохождении обратного тока I_обр. Выделяющаяся на p-n-переходе мощность вызывает повышение температуры p-n перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. Увеличиваются концентрация неосновных носителей и тепловой ток, что приводит к дальнейшему росту мощности и температуры. Напряжение теплового пробоя зависит от условий теплоотвода и снижается при повышении температуры окружающей среды.

11. Неравновесные носители в полупроводниках

Под влиянием различных внешних воздействий концентрация свободных носителей может превысить равновесное значение. Неравновесные носители могут возникать под действием внешнего электромагнитного излучения, вызывающего переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости. Этот переброс может быть как одноступенчатым (непосредственно из зоны в зону), так и многоступенчатым — через уровни в запрещенной зоне, соответствующие ловушкам или центрам генерации. Внешнее излучение может быть световым (световая генерация электронно-дырочных пар), рентгеновским или γ-излучением. Аналогичный эффект дает воздействие ионизирующих частиц (например, α-частиц). Другим механизмом возникновения неравновесных носителей является ударная ионизация. Электрон или дырка, ускоряясь в сильном электрическом поле и соударяясь с атомом, вызывает его ионизацию и рождение электронно-дырочной пары. Такой тип генерации неравновесных носителей возникает при пробое p-n-переходов в большинстве полупроводниковых приборов. Одним из наиболее распространенных механизмов создания неравновесных носителей является введение (инжекция) их в данную область полупроводника извне, из другой, соседней области (например, инжекция электронов из области n-типа в область p-типа в p-n-переходе). Концентрации в неравновесном состоянии будем обозначать n_n, p_n для полупроводника n-типа и n_p, p_p — для полупроводника p-типа, а в равновесном n_n0, p_n0, n_p0 и p_p0 соответственно. Разности между неравновесной и равновесной концентрациями будем называть избыточными концентрациями электронов и дырок Δn, Δp. Одним из главных принципов, лежащих в основе многих физических процессов, является принцип электрической нейтральности полупроводника, заключающийся в том, что в состоянии равновесия суммарный заряд в полупроводнике равен нулю. В частности, для однородного полупроводника он выражается уравнением нейтральности p+N_Д⁺=n+N_А^-, где N_Д⁺, N_А^- - концентрации ионов доноров и акцепторов. В неравновесном состоянии уравнение нейтральности может нарушиться. В этом случае возникают объемный заряд и сильное электрическое поле, способствующее восстановлению нейтральности. Время, в течение которого восстанавливается нейтральность τ_рел, называется временем диэлектрической релаксации. Оно очень мало и определяется по формуле τ_рел = ρε₀ε_П. Если избыточные концентрации носителей малы по сравнению с равновесными концентрациями основных носителей, то изменение избыточных концентраций в n-полупроводнике описывается дифференциальным уравнением генерации — рекомбинации d(Δp_n)/dt = -(Δp_n/τ_p) + G, где τ_p — параметр, называемый временем жизни неравновесных неосновных носителей; G — скорость генерации, задаваемая внешним воздействием, т. е. число неравновесных носителей, возникающих в единицу времени. Время жизни неравновесных неосновных носителей представляет собой

11. Выпрямительные диоды

Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий. Выпрямительные диоды широко применяют в цепях управления и коммутации РЭА, источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование в РЭА нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шотки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды, — селеновые и титановые выпрямители. В высоковольтных источниках питания часто применяют выпрямительные столбы и блоки. Выпрямительные столбы представляют собой последовательное соединение выпрямительных диодов, объединенных в одном корпусе или расположенных на одной конструкционной несущей. Выпрямительные блоки являются конструктивно завершенными устройствами, содержащими соединенные определенным образом (например, по мостовой схеме) выпрямительные диоды. К основным статическим параметрам относятся прямое падение напряжения U_пр при заданном прямом токе I_пр, постоянный обратный ток I_обр при заданном обратном напряжении U_обр. К основным динам и ческим параметрам относятся I_вп.ср — среднее за период значение выпрямленного тока; U_пр.ср — среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока; I_обр.ср— среднее значение обратного тока или среднее за период значение тока в обратном направлении при заданном значении обратного напряжения; U_обр.ср — среднее за период значение обратного напряжения; f_гр — граничная частота, на которой выпрямленный ток диода уменьшается до установленного уровня. Частота f_гр зависит от площади перехода и времени жизни носителей. К параметрам электрического режима относятся дифференциальное сопротивление диода r_диф, емкость диода С_д, включающая емкости электрического перехода и корпуса, если последний существует. В рабочем положении через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, температура перехода T_пер повышается. Выделяемая в переходе теплота рассеивается в окружающую среду за счет теплопроводности полупроводникового материала перехода, корпуса прибора и переходных теплопроводящих слоев между корпусом прибора и кристаллом. Отводимая от электрического перехода мощность прямо пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды. В установившемся режиме подводимая к переходу Р_подв и отводимая от него Р_отв мощности должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности Р_макс, рассеиваемой диодом. В противном случае, когда рассеиваемая диодом мощность превышает Р_макс, тепловой режим прибора неустойчив и в его электрическом переходе возникает тепловой пробой. Выпрямительные диоды делят на низкочастотные, или силовые, используемые в основном

11. Импульсные диоды

Импульсные диоды в основном предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах. Они имеют ряд конструктивно-технологических особенностей, обеспечивающих импульсный режим работы. Барьерная емкость и накопленный заряд носителей вблизи перехода — два фактора, определяющих инерционность диодов. Основными отличительными признаками импульсных диодов являются малые площадь электрического перехода и время жизни неравновесных носителей заряда в базе. Различают импульсные диоды с p-n-переходом (точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, мезадиффузионные, эпитаксиально-планарные и др.) и с барьером Шотки. В качестве исходного материала при изготовлении диодов используют германий, кремний, арсенид галлия. Отечественной промышленностью выпускаются также диодные сборки и матрицы. К импульсным диодам относят также диоды с накоплением заряда (ДНЗ). Различают параметры импульсных диодов, сборок и матриц: статические, параметры предельно допустимых эксплуатационных режимов и импульсные параметры. К статическим параметрам диодов относят постоянный обратный ток I_oбр при заданном U_обр, постоянное прямое напряжение U_пр при заданном I_пр. Для диодных сборок и матриц U_пр указываются для двух значений тока I'_пр и I''_пр, соответствующих областям малых и больших прямых токов на ВАХ. Из параметров предельно допустимого режима отметим U_{обр.макс}, I_{пр.макс} и максимально допустимый прямой импульсный ток I_{пр.и.макс.} Эквивалентная схема импульсного диода приведена на рисунке. В отличие от эквивалентных малосигнальных схем других диодов здесь параметры схемы— интегральные величины, зависящие от перепада тока или напряжения и записываемые через общепринятые параметры импульсного диода. На схеме конденсатор С_корп характеризует емкость корпуса диода; конденсаторы С_бар и С_дф моделируют соответственно усредненную барьерную и диффузионную емкости р-n-перехода; резистор R_p-n — сопротивление, зависящее от значения и полярности напряжения на переходе; L_экв и R_экв — эквивалент индуктивности и резистор, характеризующие процесс модуляции комплексного сопротивления базы в зависимости от уровня инжекции носителей в базу; резистор R_Б0 моделирует сопротивление базы при малом уровне инжекции. На обороте изображена ВАХ импульсного диода.

11. Варикапы

Варикап предназначен для использования в качестве электрически управляемой емкости. Принцип работы варикапа основан на использовании зависимости емкости электрического перехода от напряжения. Электрический переход варикапов имеет сложную структуру типа р-n-n⁺, p-i-n, МДП и др. Варикапы применяют в устройствах управления частотой колебательного контура, в параметрических схемах усиления, деления и умножения частоты, в схемах частотной модуляции, управляемых фазовращателях и др. В этих устройствах предпочтение отдается варикапам на основе барьерной емкости p-n-перехода. Исходным материалом для варикапов является кремний, а в последнее время — арсенид галлия. В сплавных варикапах электрический переход резкий, распределение примесей вдоль перехода по координате х, отсчитываемой от его металлургической границы, приблизительно равномерное для р⁺- и n-области, в диффузионных — плавное. Этим распределениям соответствуют зависимости C_в = f(U) — вольт-фарадные характеристики (ВФХ) варикапа (кривые 1 и 2 на рисунке). Эти ВФХ аппроксимируются выражением С_в = С_в0[φ₀/(φ₀-U_обр)]^m, где m — коэффициент нелинейности ВФХ (m = 0,5 для сплавных и m = 0,3 для диффузионных); С_в0— емкость варикапа при внешнем напряжении U_обр=0. Для получения более резкой зависимости C_B = f(U_обр) в эпитаксиальных варикапах используются переходы со структурой р⁺-n-n⁺ и обратным градиентом распределения примесей в базе (кривая 3 на рисунке). Параметрами варикапа являются: С_н — номинальная емкость, т. е. емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения; С_макс — максимальная емкость — емкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения; С_мин — минимальная емкость — емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения; К_с = = С_макс /С_мин — коэффициент перекрытия по емкости; ТК C=dC/(C_нdT) — температурный коэффициент емкости — относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры окружающей среды на 1 К в рабочем интервале температур при заданном напряжении смещения; Q_B — номинальная добротность варикапа — отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь при номинальном напряжении смещения на заданной частоте, ТК Q_в = = dQ_в/(Q_вdT) — температурный коэффициент добротности.

в выпрямителях источников питания, и маломощные высокочастотные. Силовые диоды работают на частотах до f_ГР = 50 кГц. По силе выпрямленного тока различают диоды малой (I_пр<300 мА), средней (I_пр<10 А) и большой (I_пр>10 А) мощности. Высокочастотные диоды предназначены для преобразования радиосигналов на частотах в несколько десятков и сотен мегагерц. Вольт-амперная характеристика кремниевого диода для различных температур окружающей среды приведена на рисунке.

среднее время от момента появления неравновесного носителя до его рекомбинации. После прекращения внешнего воздействия скорость генерации G обращается в нуль, и дальнейший процесс описывается уравнением рекомбинации d(Δp_n)/dt = -(Δp_n/τ_p). Пусть в момент окончания внешнего воздействия (при t=0) избыточная концентрация дырок равна Δp_n(0). При этом начальном условии получим следующее решение уравнения рекомбинации: Δp_n(t) = Δp_n(0)exp[-t/τ_p]. Пусть, например, Δp_n(0) = -p_n0, т.е. начальная концентрация дырок равна нулю p_n(0)=0. Тогда неравновесная концентрация изменяется как p_n(t) = = p_n0[1-exp(-t/τ_p)]. Концентрация дырок нарастает от нуля до установившегося значения p_n0; τ_p определяет скорость нарастания.

Предположим, что в начальный момент Δp_n(0) = 0, и начал действовать внешний источник, задающий скорость генерации G. Тогда, решая уравнение генерации-рекомбинации получаем Δp_n(t) = Gτ_p[1-exp(-t/τ_p)]. Величина τ_p в данном случае характеризует скорость нарастания избыточной концентрации, а также определяет ее конечную установившуюся величину, равную G_τp.

Малосигнальная эквивалентная схема варикапа приведена на рисунке. В схеме L_B — элементы индуктивности выводов прибора (порядка нескольких микрогенри); конденсатор С_корп ≤ 1,5 пФ учитывает емкость корпуса; резистор r_s=r_Э+r_Б моделирует омическое сопротивление базы r_Б с сопротивлением омического контакта и сопротивление эмиттерной области r_Э с аналогичным контактом; резисторы r_диф, R_y учитывают дифференциальное сопротивление и сопротивление утечки перехода; конденсатор С_пер (C_бар) — эквивалент емкости перехода (барьерной емкости). На частотах до нескольких десятков мегагерц параметрами схемы L_B и С_корп можно пренебречь ввиду их малости и ограничиться упрощенной схемой (на рисунке обведена штриховой линией). Сопротивление перехода при обратном напряжении на варикапе определяется сопротивлением утечки R_y. Типовое значение R_у > 1 МОм. Добротность варикапа уменьшается с повышением температуры, так как при этом возрастает сопротивление r_s. С увеличением обратного смещения емкость С_бар и сопротивление r_s уменьшаются, а добротность соответственно растет. Уменьшение r_s в последнем случае объясняется расширением перехода и уменьшением толщины базы в n-области структуры варикапа.

ВАХ импульсного диода.