- •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
3.5.2. Учет сопротивлений областей
При выводе уравнения ВАХ идеализированного р-n-перехода сопротивлением р- и n-областей пренебрегали (третье допущение). В реальных переходах оно составляет десятки и сотни ом. Обычно р-n-переходы несимметричны, так что сопротивление области с наименьшей концентрацией примеси будет наибольшим. Эту область принято называть базовой, а ее сопротивление – базовым (). Таким образом, суммарное сопротивление обеих областей можно считать равным . Приложенное внешнее напряжение U распределяется между обедненным слоем и базовой областью: . По-прежнему можно использовать формулу (3.40), но вместо U, которое являлось напряжением на обедненном слое Up-n, надо подставить (U -I):
(3.43)
или
(3.44)
Вольт-амперная характеристика с учетом влияния показана на рис. 3.14. При малых токах вторым слагаемым можно пренебречь. Однако с ростом тока падение напряжения на базовой области I может стать сравнимым с напряжением на самом р-n-переходе, при этом на ВАХ появится почти линейный (омический) участок. При дальнейшем росте тока следует учитывать, что начинает уменьшаться из-за увеличения концентрации инжектированных в базу носителей, и ВАХ отклоняется от прямой линии. Это влияние называют эффектом модуляции сопротивления базы.
3.5.3. Пробой р-n-перехода
Пробоем называют резкое увеличение обратного тока перехода при некотором обратном напряжении. Различают электрические пробои, обусловленные действием электрического поля в обедненном слое, и тепловой пробой, вызванный перегревом перехода. Существуют три основных вида электрического пробоя: лавинный, туннельный и поверхностный.
Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией атомов кристаллической решетки в обедненном слое. При обратном напряжении ток в переходе создается дрейфовым движением неосновных носителей, приходящих из нейтральных р- и n-областей. Эти носители ускоряются в обедненном слое и при напряжении, превышающем некоторое критическое значение, приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом Ge (или Si) произвести их ионизацию, т.е. создать пару носителей – электрон и дырку. На рис. 3.15,а атомы Ge (или Si) не показаны. Вновь образовавшиеся носители будут ускоряться полем и могут также вызвать ионизацию и образование пар носителей заряда. Начинается лавинообразное нарастание обратного тока. Для характеристики этого процесса вводится коэффициент лавинного умножения М, показывающий, во сколько раз обратный ток превышает значение тока Iо, обусловленного потоком первоначальных носителей:
(3.45)
Коэффициент М определяется эмпирической формулой
(3.46)
гдеb – параметр, зависящий от материала полупроводника и типа электропроводности базовой области. Последнее объясняется тем, что концентрация неосновных носителей в базовой области выше и именно они будут определять тепловой ток Iо и вызывать ионизацию атомов. Величину Uпроб называют напряжением лавинного пробоя. При Uобр = Uпроб , что теоретически соответствует неограниченному нарастанию обратного тока. Зависимость М и Iобр от Uoбp при лавинном пробое показана на рис. 3.15,б. Чем больше ширина запрещенной зоны , тем большую энергию должен набрать носитель в электрическом поле р-n-перехода, чтобы началась ударная ионизация (увеличится Uпроб). Характерной особенностью лавинного пробоя является то, что с увеличением температуры Uпроб возрастает (положительный коэффициент напряжения пробоя). Происходит это потому, что при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей и для сообщения носителям необходимой энергии требуется большая напряженность электрического поля.
Туннельный пробой возникает, когда напряженность электрического поля в обедненном слое возрастает настолько (Е > 106 В/см), что проявляется туннельный эффект – переход электронов сквозь потенциальный барьер без изменения энергии. Туннельный эффект наблюдается в узких переходах (порядка 10 -2 мкм), т.е. в переходах р+-n+ с очень высокой концентрацией примеси (более 5-1018 см -3).
Туннельный эффект может быть как при обратном, так и прямом напряжении. Нас сейчас интересует обратное напряжение, так как рассматривается пробой. При обратном напряжении (рис. 3.16,а) возникает туннельный переход валентных электронов из валентной зоны р-области (точка1) без изменения энергии на свободный уровень в зону проводимости n-области (точка 2) под энергетическим барьером треугольной формы (заштрихован), высота которого равна ширине запрещенной зоны , а ширина равна d. При этом появляется обратный туннельный ток (рис. 3.16, б). В отличие от лавинного пробоя повышение температуры приводит к понижению напряжения пробоя (отрицательный коэффициент напряжения пробоя) из-за некоторого уменьшения ширины запрещенной зоны, т.е. высоты барьера.
Установлено, что при невысоких концентрациях примеси (менее 1018 см-3) напряжение лавинного пробоя ниже, чем туннельного, т.е. наблюдается лавинный пробой. При высоких концентрациях примесей (более 1019 см-3) напряжение лавинного пробоя выше, чем туннельного, и происходит туннельный пробой. При промежуточных концентрациях пробой может объясняться обоими механизмами, при этом определение механизма пробоя производится по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя. Кроме того, крутизна обратной ветви ВАХ перехода с туннельным пробоем меньше, чем при лавинном пробое.
Поверхностный пробой (ток утечки). Реальные р-n-переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхностных зарядов между р- и n-областями могут образовываться проводящие пленки и проводящие каналы, по которым идет ток утечки Iут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения (см. рис. 3.16, б) и может превысить тепловой ток Iо и ток генерации Iген. Ток Iут слабо зависит от температуры. Для уменьшения Iут применяют защитные пленочные покрытия.
Тепловой пробой. При прохождении обратного тока в переходе выделяется мощность
(3.47)
которая вызывает разогрев р-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника и дальнейший рост обратного тока, увеличение Рвыд, Iобр и далее процесс повторяется.
Отводимая от р-n-перехода мощность Ротв в результате теплопроводности и последующего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву р-n-перехода (разности температур перехода Т и окружающей среды Токр) и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению RТ участка переход – окружающая среда:
(3.48)
Через некоторое время после включения напряжения Uобр устанавливается тепловое равновесие – баланс выделяемой и отводимой мощностей:
(3.49)
который и определяет установившуюся (стационарную) температуру Тст. На рис. 3.17 показаны зависимости Рвыд и Ротв от температуры перехода Т. Зависимость Рвыд от Т определяется влиянием температуры на Iобр. Кривые соответствуют разным значениям Uoбp. Зависимость Ротв от температуры по формуле (3.48) – прямая линия, пересекающая ось абсцисс при Т = Токр и имеющая наклон, обратно пропорциональный тепловому сопротивлению RТ. При Uобр балансу (3.49) соответствуют точки пересечения А и В прямой и кривой Рвыд. Для ответа на вопрос, какое решение из двух является действительным, необходимо дополнить баланс мощностей критерием тепловой устойчивости. Очевидно, режим будет устойчивым, если при любых случайных изменениях температуры Т от значения Тст температура перехода после прекращения действия будет возвращаться к значению Тст. Это будет происходить при выполнении критерия для производных
(3.50)
или эквивалентного ему критерия Ротв > Рвыд при данном T. При Uобр=U’обр точка А удовлетворяет этому критерию, а точка В – нет.
Действительно, любое уменьшение температуры (Т < 0), приводящие к смешению от точки В влево, означает, что Ротв < Рвыд, т.е. температура T будет понижаться и дальше, пока не будет достигнута температура Тст соответствующая точке А. При Т > 0 происходит отклонение от точки В вправо, где Ротв < Рвыд, поэтому температура будет непрерывно возрастать. Аналогичными рассуждениями можно показать, что при Т < 0 и Т > 0 точка А является устойчивой, так как при Т < 0, и при T > 0 Ротв > Рвыд.
При некотором значении Uобр = U”обр прямая касается кривой Рвыд, т.е. имеется только одно решение (точка С), которое является предельным или критическим (Т = Ткр). При дальнейшем увеличении Uобр, например при Uобр = U”обр, не будет решения уравнения баланса (3.49) (нет точек пересечения прямой и кривой Рвыд). т.е. должно происходить непрерывное повышение температуры перехода (Т > Ткр) и рост Iобр. Рост Iобр приведет к перегреву и разрушению (проплавлению) обедненного слоя. Напряжение Uобр, при котором наступает критический режим, можно принять за предельное значение напряжения теплового пробоя.
На рис. 3.18 показаны обратные ветви ВАХ, характерные для теплового пробоя при двух значениях температуры окружающей среды:Т`окр и Т”окр > Т’окр. При увеличении Uобр происходит рост стационарной температуры (для каждого значения Uобр устанавливается свое значение Тст). При Uобр > Uпроб на ВАХ появляется участок с отрицательной производной (отрицательным дифференциальным сопротивлением, см. § 3.6.1), однако наблюдение его возможно только при надлежащем выборе сопротивления внешней цепи (внутреннего сопротивления источника обратного напряжения).