- •Глава 3 электрические переходы в полупроводниковых приборах
- •3.1. Электрические переходы
- •3.2. Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии
- •3.2.1. Структураp-n-перехода
- •3.2.2. Образование p-n-перехода
- •3.2.3. Энергетическая диаграмма p-n-перехода в состоянии равновесия. Формула для контактной разности потенциалов
- •3.2.4. Распределение напряженности электрического поля и потенциала в р-n-переходе
- •3.3. Электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии
- •3.3.1. Потенциальный барьер
- •3.3.2. Толщина р-n-перехода
- •3.3.3 Энергетические диаграммы р-n-перехода
- •3.4. Вольт-амперная характеристика идеализированного р-n-перехода
- •3.5. Вольт-амперная характеристика реального р-n-перехода
- •3.5.1. Учет генерации и рекомбинации носителей заряда в обедненном слое
- •3.5.2. Учет сопротивлений областей
- •3.5.3. Пробой р-n-перехода
- •3.6. Параметры и модель р-n-перехода в динамическом режиме
- •3.6.1. Дифференциальное сопротивление
- •3.6.2. Барьерная емкость
- •3.6.3. Диффузионная емкость
- •3.6.4. Малосигнальная модель p-n-перехода
- •3.7. Частотные свойства p-n-перехода
- •3.8. Импульсные свойства р-n-перехода
- •3.8.1. Переходные процессы при скачкообразном изменении полярности напряжения
- •3.8.2. Переходные процессы при воздействии импульса прямого тока
- •3.9. Контакт металл - полупроводник и гетеропереходы
- •3.9.1. Контакты металл полупроводник
- •3.9.2. Гетеропереходы
3.6.4. Малосигнальная модель p-n-перехода
На рис. 3.23,а изображена нелинейная электрическая модель (или эквивалентная схема) p-n-перехода, содержащая безинерционный диод (или зависимый генератор тока), ВАХ которого представляется уравнением (3.43), параллельно включенные емкостиСб и Сдф, также зависящие от напряжения.
Модель называется линейной, если к р-n-переходу прикладывается переменное синусоидальное напряжение малой амплитуды (малый сигнал). Линейная модель (рис. 3.23,б) отличается от нелинейной тем, что вместо идеализированного p-n-перехода включено дифференциальное сопротивление Rдиф, представляющее собой сопротивление перехода на переменном токе.
Нелинейная модель используется для расчета переходных процессов при любом значении напряжения (большой сигнал), а линейная – при малом сигнале. Возможны и более сложные модели, чем те, которые изображены на рис. 3.23.
3.7. Частотные свойства p-n-перехода
Будем считать, что к р-n-переходу кроме постоянного прямого напряжения U приложено синусоидальное напряжение с малой амплитудой Um и частотой . Частотные свойства p-n-перехода можно характеризовать зависимостью от частоты отношения амплитуд тока и напряжения, т.е. комплексной проводимостью . Для расчета проводимости формально можно использовать эквивалентную схему (линейную модель), приведенную на рис. 3.23,б, если уже известны частотные зависимости величин ее элементов. Мы уже отмечали, что барьерная емкость от частоты не зависит, а диффузионная емкость убывает с повышением частоты. О частотной зависимости дифференциального сопротивления речи вообще не было.
Достаточно строгое решение задачи без привлечения модели о частотной зависимости диффузионной емкости и дифференциального сопротивления проводится на основе фундаментального уравнения полупроводниковой электроники – уравнения непрерывности (см. § 2.2.3).
При рассматриваемом прямом включении р-n-перехода предполагается, что в емкости Сд преобладает диффузионная емкость, так что , а проводимость
(3.63)
Приведем без расчета результаты, полученные для p-n-перехода с размерами областей, много большими соответствующих диффузионных длин носителей заряда. На низких частотах дифференциальное сопротивлениеrД имеет такое же значение, так и Rдиф, определенное по ВАХ. Значение диффузионной емкости оказывается в 2 раза меньше, чем определенное по формуле (3.61). На высоких частотах дифференциальное сопротивление rД убывает примерно обратно пропорционально (как и диффузионная емкость), а проводимость1/rД соответственно растет.
За критерий «низкой» частоты берутся значения от p<< 1 и n <<1, где p и n – времена жизни неосновных носителей в областях. За критерий «высокой» частоты берутся значения p>>1 и n>>1.
На рис. 3.24 показаны зависимости дифференциальной проводимости и диффузионной емкости от нормализованной частоты, при этом для упрощения предполагался асимметричный переход. Значения величин нормированы к низкочастотным значениям 1/Rдиф и Сдф о [4].
3.8. Импульсные свойства р-n-перехода
Под импульсными свойствами p-n-перехода обычно понимают переходные процессы, происходящие при скачкообразном изменении полярности напряжения на р-n-переходе и прохождении через него импульса тока.