- •В.И.Елфимов, н.С.Устыленко основы теории p-n перехода
- •Основы теории p-n перехода.
- •Оглавление
- •1. Физические процессы в p-n переходе 7
- •Введение
- •1. Физические процессы в p-n переходе
- •1.1. Понятие электронно-дырочного перехода
- •1.2. Равновесное состояние p-n перехода
- •1.2.1. Образование p-n перехода
- •Диаграмма 1
- •Диаграмма 5
- •1.2.2. Токи в p-n переходе в равновесном состоянии
- •1.2.3. Контактная разность потенциалов
- •1.2.4. Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии
- •1.3. Неравновесное состояние p-n перехода
- •1.3.1. Прямосмещенный p-n переход
- •1.3.2. Обратносмещенный p-n переход
- •2. Идеальный p-n переход
- •2.1 Основные соотношения для идеального p-n перехода
- •2.2. Вольтамперная характеристика идеального p-n перехода
- •3. Вольтамперная характеристика реального p-n перехода
- •3.1. Прямая ветвь вах реального p-n перехода
- •3.2. Обратная ветвь вах реального p-n перехода
- •4. Виды пробоев p-n перехода
- •4.1. Общая характеристика пробоя p-n перехода
- •4.2. Тепловой пробой p-n перехода
- •4.3. Полевой пробой
- •4.4. Лавинный пробой
- •5. Вопросы для самопроверки
- •Список литературы
- •Основы теории p-n перехода
1.3. Неравновесное состояние p-n перехода
1.3.1. Прямосмещенный p-n переход
Если к p-области подсоединить положительный полюс внешнего источника напряжения, а к n-области - отрицательный, такое включение p-n перехода получило название прямого смещения p-n перехода.
В этом случае под действием внешнего электрического поля основные носители заряда начнут перемещаться в сторону p-n перехода. На рис. 6 представлены схема включения p-n перехода в прямом направлении и диаграмма распределения потенциала вдоль p-n перехода.
Рис.6
На рис.6 обозначено: Uпр - напряжение внешнего источника, приложенного к p-n переходу в прямом направлении (прямое смещение p-n перехода); Eвн - напряженность внешнего электрического поля; 1 - распределение потенциала вдоль p-n перехода в равновесном состоянии; 2 - распределение потенциала вдоль p-n перехода при прямом смещении; lo - ширина p-n перехода в равновесном состоянии; lпр - ширина p-n перехода при подаче прямого напряжения Uпр.
При подаче внешнего напряжения на p-n переход изменяется его ширина, что видно из потенциальной диаграммы рис.6. При этом ширина прямосмещенного p-n перехода находится из выражения
,
где - ширина p-n перехода в равновесном состоянии.
Из потенциальной диаграммы рис.6 следует, что при прямом смещении высота потенциального барьера снижается и становится равной
.
Это приводит к резкому увеличению тока диффузии через переход: iD=iDp+iDn, так как все больше основных носителей заряда оказывается способными преодолеть меньший потенциальный барьер. В несимметричном p-n переходе ток диффузии создается в основном потоком дырок из p-области в n-область, так как встречный поток электронов мал и им можно пренебречь: (Nа=1018см-3)>>(NД=1015см-3); iDp>>iDn. При этом в n-области существенно возрастает концентрация избыточных неосновных носителей заряда - дырок, перешедших из p-области. Это образование избыточной концентрации носителей заряда получило название инжекции.
И нжекцией называется процесс нагнетания носителей заряда в полупроводник, для которого они являются неосновными носителями заряда.
Область, инжектирующая носители заряда, называется эмиттером. Эта область сильно легирована примесями и имеет низкое удельное электрическое сопротивление. Область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, называется базой. База меньше легирована примесями и имеет большее значение удельного электрического сопротивления.
В области базы инжектированные из эмиттера дырки за счет наличия градиента концентрации распространяются вглубь базы, рекомбинируют с электронами базы, при этом концентрация дырок уменьшается, приближаясь к равновесной.
Закон изменения концентрации дырок в базе описывается функцией
,
где pn - концентрация дырок в базе; pnо - равновесная концентрация дырок в базе; Lp - диффузионная длина дырок в базе; p - избыточная концентрация дырок на границе базы с p-n переходом. График зависимости концентрации дырок в базе представлен на рис.7. Избыточная концентрация дырок в базе является функцией приложенного прямого напряжения: p=f(Uпр). На рис.7 точка А соответствует диффузионной длине дырок в базе.
Отрезок, на котором избыточная концентрация неосновных носителей заряда (дырок) уменьшается в e (2,72…) раз вследствие рекомбинации, называется длиной диффузии (Lp).
Рис.7
Э нергетическая диаграмма p-n перехода при прямом смещении приведена на рис.8.
Рис.8
При прямом смещении уровень Ферми полупроводника в n-области смещается вверх относительно его положения в p-области на величину, равную eUпр. Соответственно на эту же величину снижается высота энергетического барьера. При этом дрейфовая составляющая тока p-n перехода не изменяется, так как условия перехода неосновных носителей заряда через p-n переход остаются теми же, что и в равновесном состоянии, то есть переход неосновных носителей заряда происходит в ускоряющем электрическом поле p-n перехода. Из-за снижения высоты энергетического барьера количество переходов основных носителей заряда в тормозящем электрическом поле p-n перехода будет резко увеличиваться, а, следовательно, возрастает диффузионная составляющая тока перехода.