Вопрос. Прямое и обратное включение p-n переходов

Прямое включение p-n-перехода. Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение U_пр в противофазе с контактной разностью потенциалов, называется прямым. Прямое включение p-n перехода показано на рис. 1.7, а. Практи­чески все внешнее напряжение прикладывается к запирающему слою, поскольку его сопротивление значительно больше сопротив­ления остальной части полупроводника. Как видно из потенциаль­ной диаграммы (рис. 1.7, б), высота потенциального барьера уменьшается: U_б = U_к - U_пp.Ширина p-n перехода также умень­шается (h' <h). Дрейфовый ток уменьшается, диффузионный ток резко возрастает. Динамическое равновесие нарушается и через p-n переход протекает прямой ток:

. (1.10.)

Как видно из формулы (16.10), при увеличении прямого напряжения ток может возрасти до больших значений, так как он обусловлен движением основных носителей, концентрация кото­рых в обеих областях полупроводника велика.

При прямом включении дрейфовая составляющая тока пре­небрежимо мала по сравнению с диффузионной. Это объясняется низкой концентрацией неосновных носителей заряда и уменьше­нием результирующей напряженности электрического поля, обу­словливающих дрейфовый ток.

Процесс введения основных носителей заряда через p-n переход с пониженной высотой потенциального барьера в область полу­проводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией. Инжектированные носители диффундируют вглубь полупроводника, рекомбинируя с основными носителями этой области. Дырки, проникшие из p-области в n-область, рекомбинируют с электронами, поэтому диффузионный дырочный ток I_рпостепенно спадает в n-области до нуля.

Поступающие от внешнего источника в n-область электроны продвигаются к p-n переходу, создавая электронный ток I_n. По мере приближения к переходу, вследствие рекомбинации электро­нов с дырками, этот ток спадает до нуля. Суммарный же ток в n-области I_диф = I_p + I_n во всех точках полупроводника n-типа остается неизменным. Одновременно с инжекцией дырок в n-область происходит инжекция электронов в p-область. Проте­кающие при этом процессы аналогичны описанным выше.

Обратное включение p-n-перехода. Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение U_обр в фазе с контактной разностью потенциалов, называется обратным. Этот случай иллюстрирует рис. 1.8, а.

Рисунок 1.7. Рисунок 1.8.

Под действием электрического поля, создаваемого внешним источником U_обр, основные носители оттягиваются от приконтактных слоев вглубь полупроводника. Как видно из рис. 1.8, б, это приводит к расширению p-n перехода (h' > h). Потенциальный барьер возрастает и становится равным U_б = U_к +U_обр. Число основных носителей, способных преодолеть действие результирую­щего поля, уменьшается. Это приводит к уменьшению диффузион­ного тока, который может быть определен по формуле . (1.11)

Для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области) потенциальный барьер в электронно-дырочном пере­ходе отсутствует. Неосновные носители втягиваются полем в переход и быстро преодолевают его. Это явление называется экстракцией.

При обратном включении преобладающую роль играет дрей­фовый ток. Он имеет небольшую величину, так как создается движением неосновных носителей. Этот ток называется обратными может быть определен по формуле I_обр = I_др — I_диф. Величина обратного тока практически не зависит от напряжения U_обр. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон — дырка» при неизменной температуре остается неизменным. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей заряда, обратный токp-n перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это определяет выпрямительные свойства p-n перехода: способность пропускать ток только в одном направлении.

Для получения хороших выпрямительных свойств желательно уменьшить обратный ток, что достигается очисткой исходного полупроводникового материала с целью снижения концентрации неосновных носителей заряда. Высокая степень чистоты полупро­водниковых материалов обеспечивается специальной дорогостоя­щей технологией.

Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и под действием ударной ионизации атомов. Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводни­ках аналогична электростатической эмиссии электронов из метал­ла. Под действием сильного электрического поля часть электронов освобождается из ковалентных связей и получает энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера p-n перехода. Двигаясь с большой скоростью, электроны сталки­ваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки. Они, в свою очередь, разгоняются полем и создают дополнительные носители тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через p-n переход. Электрическому пробою соот­ветствует участок 3на рис. 1.6. Если чрезмерно увеличивать обратное напряжение (до значений, превышающих максимально допустимое напряжение U_{o6p max},указанное на рис. 1.6), то произойдет тепловой пробой p-n перехода, и он потеряет свойство односторонней проводимости. Обратная ветвь характеристики при тепловом пробое имеет вид участка 4.

Тепловой пробой p-n перехода происходит вследствие вырыва­ния валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар «электрон — дырка» приводит к увеличению концентрации не­основных носителей заряда и росту обратного тока. Увеличение тока сопровождается дальнейшим повышением температуры. Процесс нарастает лавинообразно, происходит изменение струк­туры кристалла, и переход необратимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяемая на переходе, невелика, то пробой обратим.

Анализ ВАХ p-n перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого R_дизменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряже­ния. Нелинейные свойства p-n перехода лежат в основе работы полупроводниковых диодов, транзисторов и других приборов.

Рисунок 1.9 Рисунок 1.10

На рис. 1.9 приведена модель реального p-n перехода. Здесь помимо управляемого сопротивленияR_дпоказаны неуправляемые сопротивления контактов Rи емкости p-n перехода: барьерная С_б и диффузионная С_диф. Наличие у реальных p-n переходов сопро­тивлений контактов Rсказывается на виде ВАХ в области прямых управляющих напряжений: характеристика располагается ниже по сравнению с идеализированным p-n переходом (область 5 на рис. 1.6).

Потенциальный барьер образован неподвижными зарядами: положительными и отрицательными ионами. Емкость, обуслов­ленная этими зарядами, называется барьерной.При изменении запирающего напряжения меняется толщина p-n перехода, а следовательно, и его емкость. Величина барьерной емкости пропорциональна площади p-n перехода, концентрации носителей заряда и диэлектрической проницаемости материала полупровод­ника. При малом обратном напряжении толщина p-n перехода мала, носители зарядов противоположных знаков находятся на небольшом расстоянии друг от друга. При этом собственная емкость p-n перехода велика. В случае увеличения обратного напряжения толщина p-n перехода растет и емкость p-n перехода уменьшается. Таким образом, p-n переход можно использовать как емкость, управляемую обратным напряжением: С_б =q_б/U_обр, где q_б— объемный заряд равновесных носителей.

При прямом напряжении p-n переход, кроме барьерной ем­кости, обладает диффузионной емкостью С_диф. Эта емкость обусловлена накоплением подвижных носителей заряда в n-и p-областях. При прямом напряжении основные носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенци­альный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях.

Каждому значению прямого напряжения соответствует опреде­ленный накопленный неравновесный заряд q_диф: .

Диффузионная емкость не оказывает существенного влияния на работу p-n перехода, так как она всегда зашунгирована малым прямым сопротивлением R_д. Зависимости емкостей p-n перехода от управляющего напряжения имеют вид, изображенный на рис. 1.10.

48 вопрос. Классификация полупроводниковых приборов.
Полупроводниковыми называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов. Классификация полупроводниковых приборов приведена на рис. 2.31. Ниже даются краткие характеристики полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые резисторы — приборы с двумя выводами, в которых электрическое сопротивление зависит от приложенного напряжения, температуры, освещенности; механических деформаций и других управляющих параметров. Полупроводниковые резисторы широко используются в качестве датчиков освещенности, в системах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной безопасности и т.д.

Полупроводниковые диоды — приборы с одним р-n - переходом и двумя выводами, в которых используются свойства этого перехода. Полупроводниковые диоды широко применяются в электронике для выпрямления электрического тока, стабилизации напряжения и тока, для генерации высокочастотных сигналов, в качестве быстродействующих переключателей в системах автоматики и т.д.

Полупроводниковые фотоэлектрические приборы — это приборы, в которых используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами или дырками). Эти приборы широко используются в системах автоматики, контрольно-измерительных устройствах, в системах оптоволоконной техники, в качестве элементов солнечных батарей и др.

Биполярные транзисторы — полупроводниковые приборы, имеющие два р- n-перехода и используемые для усиления и генерации электрического сигнала.

Полевые транзисторы — полупроводниковые приборы, в которых используются полупроводниковые материалы с различными типами электропроводности и которые образуют один р — n -переход. Полевые транзисторы применяются в качестве усилителей и генераторов на высоких частотах.

Тиристоры — полупроводниковые приборы, имеющие три или более р — n-переходом и работающие в двух устойчивых состояниях — открытом и закрытом. Тиристоры широко применяются в качестве быстродейcтвующих переключателей.

Полупроводниковые микросхемы — микроэлектронные изделия, предназначенные для преобразования электрического сигнала, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.

Комбинированные полупроводниковые приборы представляют собой различные полупроводниковые приборы, объединенные в один корпус. Эти приборы широко применяются в системах автоматики и связи, в вычислительной технике и т.д.

Дата добавления: 2015-05-06