- •Основы электроники и микроэлектроники
- •Раздел 1. Физические основы полупроводников
- •Тема 1.3. Контактные явления в полупроводниках. Электронно-дырочный переход при наличии и отсутствии напряжения
- •1 Физические основы полупроводников
- •1.3 Контактные явления в полупроводниках. Электронно-дырочный переход при наличии и отсутствии напряжения
- •1.3.1 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего
- •1.3.2 Электронно-дырочный переход при прямом напряжении
- •1.3.3 Электронно-дырочный переход при обратном напряжении
- •1.3.4 Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода
- •1.3.5 Частотные свойства (емкость) и эквивалентные схемы электронно-дырочного перехода
- •1.3.6 Температурные свойства электронно-дырочного перехода
- •1.3.7 Физические явления в области контакта металл–полупроводник
- •1.3.9 Гомогенные и гетерогенные переходы
- •Вопросы для самоконтроля
1.3.5 Частотные свойства (емкость) и эквивалентные схемы электронно-дырочного перехода
Емкость n–р-перехода состоит из диффузионной Сдиф и баръерной Сб емкостей.
С = Сдиф + Сб . (1.28)
При обратном напряжении uобр n–р-переход аналогичен конденсатору. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда + QобР и –Qобр, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примесями. Поэтому n–р-переход обладает емкостью, подобной конденсатору с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью. При постоянном напряжении она определяется отношением
С
(1.29)
а при переменном напряжении –
С
(1.30)
Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади n– р-перехода Sp-n, относительной диэлектрической проницаемости полупроводника ε и уменьшении толщины запирающего слоя d.
Сб = ε ε0 Sp-n /d, (1.31)
где ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума.
Несмотря на то, что для небольшой мощности площадь перехода мала, емкость Сб весьма заметна за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у германия = 16). В зависимости от площади перехода значение Сб может быть от единиц до сотен пикофарад.
Особенность барьерной емкости состоит в том, что она нелинейна, т. е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается и емкость Сб уменьшается. Характер этой зависимости показывает график на рис. 1.23. Как видно, под влиянием напряжения Uобр емкость Cб изменяется в несколько раз.
Рисунок 1.23 – Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения
Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует p-n преход и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Однако барьерная емкость бывает и полезной. Специальные диоды (варикапы и варакторы) используют как конденсаторы переменной емкости для настройки колебательных контуров, работа которых основана на свойствах нелинейной емкости. В отличие от обычных конденсаторов переменной емкости, в которых емкость изменяют механическим путем, в варикапах это изменение достигается регулировкой обратного напряжения. Такую настройку колебательных контуров называют электронной настройкой.
П
Так, например, если р-область является эмиттером, а n-область – базой, то при подаче прямого напряжения из р-области в n-область через переход устремляется большое число дырок и, следовательно, в n-области появляется положительный заряд. Одновременно под действием источника прямого напряжения из провода внешней цепи в n-область входят электроны и в этой области возникает отрицательный заряд. Дырки и электроны в n-области не могут мгновенно рекомбинировать.
Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствует определенное значение двух равных разноименных зарядов +Qдиф и – Qдиф, накопленных в n-области за счет диффузии носителей через переход. Емкость Сдиф, как обычно, представляет собой отношение заряда к разности потенциалов: при постоянном напряжении
Сдиф = Qдиф/uпр , (1.32)
при переменном напряжении
С
(1.33)
Рассчеты показывают [3] , что диффузионная емкость зависит от величины прямого тока iпр и времени жизни неравновесных носителей τn(p).
Сдиф = ( q / kT ) τn(p) iпр. (1.34)
С увеличением uпр прямой ток растет быстрее, чем напряжение, так как вольт-амперная характеристика для прямого тока нелинейна. Поэтому Qдиф растет быстрее, чем uпр, и Сдиф увеличивается.
Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.
Имея в виду, что p-n переход обладает емкостью, можно составить его эквивалентную схему для переменного тока (рисунок 1.24, а). Сопротивление R0 в этой схеме представляет собой суммарное, сравнительно небольшое сопротивление n-и р-областей и контактов этих областей с выводами.
Рисунок 1.24 – Полная и упрощенная эквивалентные схемы
электронно - дырочного перехода
Нелинейное сопротивление Rнл при прямом напряжении равно Rпр, т. е. невелико, а при обратном напряжении Rнл = Rобр, т. е. оно большое.
Приведенная эквивалентная схема в различных частных случаях может быть упрощена. На низких частотах и при постоянном токе емкостное сопротивление (xc = 1/ C ) очень велико и можно емкость не учитывать. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R0 и Rпр (рисунок 1.24,б), а при обратном напряжении – только сопротивление Ro6p, так как R0 << Roбp (рис. 1.24, в). На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление, через которое может протекать переменный ток ,ухудшая работу n–р-перехода. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рисунку 1.24, г , а при обратном остаются Ro6p и Сб (рисунок 1.24, д).
Следует иметь в виду, что существует еще емкость Св между выводами, которая может заметно шунтировать p-n переход на очень высоких частотах. Она показана на рисунке штрихами. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов Lв.
Сопротивление n–р-перехода должно характеризовать его работу на постоянном и переменном токах. Так как вольт-амперная характеристика является нелинейной функцией ,то сопротивление постоянному току R – будет отличаться от сопротивления переменному току R .
Сопротивление переменному току называют дифференциальным (R = Rд) Дифференцирование уравнения (1.26) с учетом того, что для прямого напряжения можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальной составляющей, дает простое соотношение для расчета дифференциального сопротивления в заданной точке ВАХ.
1/ Rд =di/du =I0(q/kT) eqUпр / kT =(q/kT)iпр (1.35)
Здесь iпр =Io(eqUпр / kT ). При Т =300К Rд[Ом]=26[мВ] / iпр[мA].
Сопротивление постоянному току R – определяется отношением напряжения к току в заданной точке ВАХ (R – = uпр / iпр).