Тема 1.2 Электронно-дырочный переход

Вопросы для самопроверки

1. Полупроводник типа р. Способ получения, механизм его электропроводности и энергетическая диаграмма

2. Проводник типа р. Способ получения, механизм его электропроводности энергетическая диаграмма

3. Равновесное состояние электронно-дырочного перехода. Образование потенциального барьера. Диффузионный и дрейфовые токи; запирающий слой.

Диффузия носителей зарядов на границе р и n.- областей. Образование контактной разности потенциалов на границе р и n. - областей потенциального барьера. Запирающий слой. Влияние потенциального барьера на основные и неосновные носителb зарядов. Баланс токов. Включение прямого напряжения к р.-п. переходу. Инжекция носителей зарядов эффективное время жизни. Диффузионная длина. Сопротивление и ток р-n перехода, находящегося под прямым напряжением.

Включение обратного напряжения к р-n переходу. Экстракция носителей зарядов. Сопротивление и ток р-n перехода, находящегося под обратным напряжением. Влияние обратного напряжения на высоту потенциального барьера и ширину запирающегося слоя, вольтамперная характеристика р-n перехода. Электрический и тепловой пробой р-n перехода. Барьерная и диффузионная емкости.

Следует разобраться в процессах происходящих в р-n переходе в равновесном состояние необходимо выяснить свойства р-n перехода при подключении к нему внешнего напряжения в прямом и обратных направлениях. Требуется разобраться и запомнить ход вольтамперной характеристики. Надо обратить также внимание на понятие симметричного и несимметричного р-n перехода.

Электронно-дырочный или р-n переход - это электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n- типа, а другая р- типа.

Изучение процессов в р- переходе имеет очень важное значение, так как большинство полупроводниковых приборов состоит из одного или нескольких переходов. Возможны 3 состояния р-n перехода: равновесное, прямое и обратное.

В равновесном состояние к р-n переходу не приложено внешнее напряжение. В этом случае через р- переход протекают встречные токи - диффузионный и дрейфовый уравновешивающие друг друга, т. е общий ток равен 0.

Диффузионный ток образован движением носителей зарядов под действием разности их концентрации из той области, где они являются основными, в ту, где они неосновные. Диффузионный ток имеет электронную и дырочную составляющие. В результате диффузии основных носителей в близи границы между областями р-n перехода создаются неподвижные объемные заряды, образованные ионами примесей: в р-области - отрицательный заряд, а в n- области - положительный. Эти заряды создают электрическое поле, направленное от n- к р- области и препятствующее диффузии основных носителей, т.е возникает потенциальный барьер. Это внутренние электрическое поле характеризуется контактной разностью потенциалов. Под действием силы электрического поля возникает дрейфовый ток не основных носителей, направленный встречно диффузионному. Он также имеет электронную и дырочные составляющие.

В равновесном состояние оба этих тока равны по величине и противоположны направлены. Общий ток равен 0.

Вследствие диффузии основных носителей зарядов слои, прилежащие с обеих сторон к границе раздела областей оказываются объеденными носителями зарядов. Таким образом, формируется запирающий слой-слой, объединенный носителями зарядов, вблизи границы двух областей р.-п. перехода ширина запирающего слоя зависит от концентрации примесей в областях, сужаясь по мере ее увеличения.

Подключение к р-n переходу источника внешнего напряжения положительным полюсам к р- области, а отрицательным к n- области обеспечивает его прямое включение. При этом вектор напряженности внешнего электрического поля направлен встречно вектору внутреннего электрического поля. Тогда потенциальный барьер, созданный внутреннем электрическим полем понижается. Прямое смещение р-n перехода обеспечивает такое направление приложенного напряжения, при котором происходит уменьшение потенциального барьера в р-n переходе. Уменьшение потенциального барьера ведет к увеличению диффузии основных носителей зарядов через переход. При этом в каждую из областей вводиться дополнительные неосновные для нее носители зарядов. Процесс введения носителей зарядов через р-n переход при понижении потенциального барьера в область, где эти носители являются неосновными, называются инжекцией.

В полупроводниковых приборах используется обычно несимметричные р-n переходы, у которых концентрация основных носителей зарядов в одной области значительно выше, чем в другой. При этом инжекция происходит преимущественно в одном направление: из области с повышенной концентрации основных носителей в область с пониженной их концентрацией.

Базовая область, или база, - область р-n перехода или прибора, в которую инжектируются неосновные для нее носители зарядов. Эмиттерная область, или эмиттер, - область, назначение которой является инжекция носителей в базовую область.

Концентрация инжектированных носителей зарядов бывает в базе по мере удаления от границы между областями, т.к инжектированные носители рекомбинируют с основными носителями базы. Таким образом, инжектированные носители обладают конечным временем жизни. Расстояние, на которое инжектированный носитель диффундирует в глубь базовой области за время жизни, называется диффузионной длиной.

Прямо включенный р-n переход обладает следующими свойствами: 1) потенциальный барьер снижается; 2) протекающий ток основных носителей зарядов имеет значительную величину; 3) сопротивление и толщина запирающегося слоя уменьшаются по сравнению с равновесным состоянием.

Обратное включение р.-п. перехода обеспечивается подключением к нему внешнего источника напряжения положительным полюсом к n- области, а отрицательным - к р- области. При этом внутренние и внешние электрические поля направлены согласно, и потенциальный барьер поэтому возрастает. Направление приложения напряжения, при котором происходит повышение потенциального барьера р-n перехода, называется обратным. В этом случае диффузия основных носителей уменьшается. Через р-n переход протекает в основном дрейфовый ток неосновных носителей зарядов.

Обратно включенный р-n переход обладает следующими свойствами: 1) потенциальный барьер повышается; 2) протекающий ток не основных носителей имеет не большую величину; 3) сопротивление и толщена запирающего слоя увеличиваются по сравнению с равновесным состоянием.

Таким образом, ток через р-n переход зависят от величины и полярности приложенного к нему напряжения. Требуется хорошо уяснить и запомнить ход вольтамперной характеристики. Надо уметь выделять прямую ее ветвь-график зависимости прямого тока от прямого напряжения, и обратную ветвь - зависимость обратного тока от обратного напряжения.

Надо обязательно обратить внимание на то, что масштабы по осям прямого и обратного токов, а также прямого и обратного напряжения различны. Ведь р-n переход обладает свойством односторонней проводимости, т.е ток через р.-п. переход при прямом его включение значительно больше по величине чем при обратном. Прямые токи для различных типов переходов могут иметь величину от единиц мА до единиц А. Обратные токи имеют порядок величин от единиц до сотен мкА. Большой прямой ток приводит к выделению в р-n переходе большой тепловой энергии поэтому прямые напряжения обычно небольшие, порядка 0,2-1,5В. Обратные напряжения могут быть значительно выше- 5-100В и более.

Анализ вольтамперной характеристики, показывает, что при больших обратных напряжений возникает резкое увлечение обратного тока, которое связано с увеличением обратной проводимости. Явление резкого увеличения обратной проводимости р-n перехода, при достижении обратным напряжением критическим для данного перехода значения, называется пробоем р-n перехода. Различают электрический и тепловой пробои.

Электрический пробой р-n перехода - это пробой, обусловленный лавинным размножением носителей зарядов или туннельным эффектом. Электрический пробой - процесс обратимый. При уменьшении обратного напряжения до величины меньшей критической обратный ток резко уменьшается.

Тепловой пробой р-n перехода называется ростом числа носителей зарядов в результате нарушения равновесия между выделяемым в р-n переходе и отводимым от него теплом. Этот процесс необратим и связан с нарушением структуры полупроводника.

Величины прямого и обратного тока зависят от температуры. Следует хорошо разбираться в зависимости положения вольтамперной характеристики р.-п. перехода от изменения температуры окружающей среды.

При протекание через р-n переход прямого тока вблизи границы раздела областей происходит накопление инжектированных носителей, не успевших рекомбинировать с основными носителями базы. Эти носители зарядов образуют объемных заряд. Увеличение прямого напряжения приводит к увеличению этого заряда. Диффузионной емкостью р.-п. перехода называется отношение изменения объемного заряда не рекомбинированых инжектированных носителей зарядов в базе к изменению приложенного напряжения:

С другой стороны, величины неподвижных объемных зарядов, созданных ионами доноров и акцепторов в близи границы между областями, тоже зависят от приложенного напряжения. Барьерная емкость р.-п. перехода определяется отношением приращения не подвижного объемного заряда р.-п. перехода к вызвавшему его приращению внешнего напряжения:

Зависимость величины барьерной емкости от величины приложенного к р-n переходу обратного напряжения используется в варикапах.

Дата добавления: 2015-06-27