- •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
3.8.1. Переходные процессы при скачкообразном изменении полярности напряжения
Этот случай соответствует переключению p-n-перехода из проводящего состояния в непроводящее, схематично представленному на рис. 3.25, где вместо реального импульсного генератора, обеспечивающего переключение от прямого напряжения Ur1 к обратному – Ur2 (рис. 3.26,а), использованы два источника с напряжениями Ur1 и Ur2 и ключ К.
Для ограничения обратного тока включен резистор R. В положений 1 ключа через р-n-переход протекает прямой ток Iпр (рис. 3.26,б), а на переходе существует прямое напряжение (рис. 3.26,в). После переключения в р-n-переходе должен протекать обратный ток, изменение которого можно пояснить с помощью распределения концентрации неосновных носителей в базовой области, за которую принята n-область (Nа>>Nд).
Исходное распределение концентрации дырок в n-области рn(х) до переключения (t < 0) изображено кривой 1 на рис. 3.27. Разность рn - рn0 представляет собой концентрацию избыточных дырок, накопленных в базе. Значение рn(0) при х = 0 соответствует границе обедненного слоя (перехода). Распределение концентрации дырок в базе и значение ее на границе обедненного слоя х = 0 после скачка напряжения не может измениться мгновенно из-за конечной скорости носителей. Поэтому не может измениться мгновенно и напряжение на самом переходе (см. рис. 3.26, в), и некоторое время (до момента t1) оно остается прямым. Однако через достаточно большое время (условно ) распределение концентрации дырок в базе установится и будет изображаться кривой 2 (рис. 3.27), соответствующей статическому обратному напряжению Ur2 (см. рис. 3.11). Распределения в промежуточные моменты времени заключены между кривыми 1 и 2.
Получается, что в интервале 0...t1 на р-n-переходе действует прямое напряжение, однако через него протекает обратный ток Iобр m (см. рис. 3.26,6), определяемый из рис. 3.25 соотношением
При Ur2 >> Unp ток Iобр m Ur2/R, т.е. определяется приложенным обратным напряжением и сопротивлением R в цепи. Ток Iобр m при малом сопротивлении R может быть очень большим. Значение R выбирается для ограничения тока Iобр m, но все равно оказывается на несколько порядков больше теплового тока Iо перехода, который устанавливается в конце переходного процесса (рис. 3.26,б).
Происхождение обратного тока при прямом напряжении на переходе объясняется тем, что после отключения напряженияUr1 прекращается инжекция дырок в базу, т.е. исчезает причина, поддерживающая концентрацию избыточных дырок. Поэтому избыточные дырки (как неосновные носители) ускоряющим полем обедненного слоя начнут переноситься в р-область. Уход дырок приводит к изменению знака градиента dpn/dx около границы перехода даже при небольшом уменьшении концентрации (кривые на рис. 3.27 при 0 < t < t1) накопленных дырок. Знак dpn/dx соответствует направлению обратного тока из n-области в р-область. Пока у границы обедненного слоя (х = 0) имеется достаточное число неосновных носителей, р-n-переход способен пропускать большой ток в обратном направлении. После того как концентрация на границе станет равной концентрации pn0, при которой напряжение на переходе равно нулю, градиент и количество уходящих через обедненный слой дырок будет монотонно убывать. Обратный ток при этом стремится к значению теплового тока Iо, а скорость убывания тока определяется в основном временем жизни неосновных носителей (дырок в n-области).
Интервал 0...t1 принято называть временем рассасывания неосновных носителей (точнее большей их части). Это рассасывание можно трактовать также как процесс разрядки диффузионной емкости. Когда напряжение на р-n-переходе при t = t1 практически приближается к нулю, а затем становится обратным, диффузионной емкостью можно пренебречь (равна нулю). После момента t1 происходит рассасывание остальной части неосновных носителей вследствие ухода и рекомбинации. Практически за момент окончания этой стадии переходных процессов берут момент (t1 + t2), когда значение обратного тока уменьшается до 0,1Iобр м, или до 0,1Iпр, или другого значения, близкого к Iо. Интервал t2 принято называть временем восстановления обратного тока или обратного сопротивления (tвoc = t2). За это время обратное напряжение на переходе практически достигает значения напряжения генератора Ur2 (см. рис. 3.26,в). При этом происходит также расширение границ обедненного слоя, т.е. изменение (уменьшение) барьерной емкости. Установление обратного тока на второй стадии (t > t1)можно смоделировать барьерной емкостью и трактовать как ее зарядку, приводящую к увеличению количества зарядов в обедненном слое.
Таким образом, для описания переходных процессов в р-n-переходе можно использовать нелинейную модель (см. рис. 3.23, д), содержащую диффузионную и барьерную емкости. Очевидно, что для уменьшения длительности переходных процессов необходимо снижать значения барьерной и диффузионной емкостей.