Электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии

Если к p-n -переходу подключить источник напряжения, то равновесное состояние нарушается – в цепи потечёт ток. Т.к. сопротивление обеднённого слоя значительно превышает сопротивление нейтральных областей, тот при малом токе внешнее напряжение практически полностью прикладывается к обеднённому слою. Под действием этого напряжения изменяется высота потенциального барьера .

Приложим “+” к p -области и “-” к n -области. Произойдёт следующее:

1) Высота потенциального барьера уменьшится на величину приложенного напряжения, т.к. электрическое поле, создаваемое внешним источником направлено против внутреннего электрического поля, т.е. напряжённости полей будут вычитаться.

2) Толщина обеднённого слоя уменьшится вследствие смещения основных носителей к обеднённому слою. Такую полярность приложенного напряжения, при которой высота потенциального барьера уменьшается, называется прямой полярностью.

3) Через p-n -переход будет протекать некоторый ток. Такой ток при прямой полярности называют прямым током, говорят, что переход смещён в прямом направлении.

Если приложить к р-п переходу напряжение в направлении пропускания, то высота потенциального барьера понизится и некоторое количество электронов окажется в состоянии проникнуть в р – область. До появления этих электронов р – область была электрически нейтральна. Электроны, инжектированные из п – области в р – область, представляют собой некоторый дополнительный отрицательный объемный заряд.

Так как непосредственно у перехода концентрация носителей заряда высокая, то за счет градиента концентрации они будут распространяться вглубь объема полупроводника в направлении меньших концентраций. Одновременно концентрация неравновесных носителей будет уменьшаться за счет рекомбинации, так что полное значение концентрации носителей заряда будет стремиться к равновесному значению

Рассмотрим распределение электронов в базе при таком напряжении:

,

где - диффузионная длина носителей заряда - среднее расстояние, которое проходят заряды за время жизни;

- среднее время жизни носителей заряда в полупроводнике (время между генерацией и рекомбинацией);

Диффузионная длина носителей зарядов – расстояние, на котором избыточная концентрация носителей в полупроводнике уменьшается в раз.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда.

Область полупроводника, назначением которой является инжекция носителей заряда, называется эмитерной. Область полупроводника, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, называется базовой. Отношение избыточной концентрации неосновных носителей заряда в базе вблизи р-п перехода к равновесной концентрации основных носителей называют уровнем инжекции.

В несимметричных p-n -переходах преобладает инжекция из эмиттера в базу.

Отношение тока носителей, инжектированных в базу, к полному току через переход называется коэффициентом инжекции.

, где - ток дырок.

Приложим “-” к p -области и “+” к n -области. Произойдёт следующее:

1) Высота потенциального барьера увеличится на величину приложенного напряжения.

2) Толщина обедённого слоя увеличится, вследствие оттягивания основных носителей тока от границ p-n-перехода. Такую полярность приложенного напряжения, при которой высота потенциального барьера увеличивается, называется обратной полярностью.

Обратный ток при такой полярности обусловлен неосновными носителями, для которых поле в переходе является ускоряющим. Обратный ток будет много меньше прямого тока (). Обратный ток практически не зависит от приложенного напряжения, т.к. уже при небольших напряжениях все имеющиеся неосновные носители вовлекаются в образование тока и дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока. Под воздействием термогенерации внутри p-n -перехода образуются пара носителей, которые будут перемещаться в те области, где они будут основными, этот процесс называется экстракцией.

2. ВАХ (вольт амперная характеристика) p-n -перехода

Под ВАХ будем понимать зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения.

Зависимость тока от напряжения описывается уравнением

,

называемым уравнением Шокли, где - температурный потенциал

,

где -коэффициент Больцмана;

-абсолютная температура = 300К;

-заряд электрона

В соответствии с вышесказанным, вольтамперная характеристика диода будет иметь вид

При изменении прямого напряжения на 60мВ ток меняется на порядок.

Обратный ток перехода будет пренебрежимо мал по сравнению с прямым, следовательно, переход пропускает ток в одном направлении, то есть является вентилем. Вентиль – это элемент, который пропускает ток в одном направлении. Вольтамперная характеристика идеального вентиля показана на рисунке.

Выразим из уравнения Шокли:

,

тогда можно оценить дифференциальное сопротивление p-n -перехода:

.

При прямом смещении . Если через p-n -переход протекает ток =1мА, то =26 Ом. При , .

Явление уменьшения сопротивления базы при увеличении уровня инжекции называется эффектом модуляции сопротивления базы. С учетом этого явления уравнение Шокли будет иметь вид

,

где -коэффициент коррекции.

Для реальных p-n -переходов .

Температура влияет как на прямой, так и на обратный ток.

Обратный ток связан с исходным током соотношением

На практике температурную зависимость теплового тока принято оценивать температурой удвоения , то есть приращением температуры, вызывающим увеличение тока в два раза

.

Аналогичным образом определяют ток генерации

.

Зависимость этого тока от температуры более слабая, так как он пропорционален , тогда как тепловой ток пропорционален . Вследствие этого температура удвоения для тока генерации оказывается вдвое больше, чем для теплового тока

.

Рост тока с увеличением температуры объясняется тем, что уровень Ферми при увеличении температуры стремится к середине запрещённой зонывысота потенциального барьера уменьшаетсяток через p-n -переход увеличивается.

В реальных p-n-переходах обратный ток имеет 3 составляющих:

1) Тепловой ток – это ток, вызванный термогенерацией в областях полупроводника, прилегающих к границам p-n -перехода на две-три длины диффузии.

2) Ток термогенерации (ток носителей, возникающих в обеднённом слое полупроводника под воздействием температуры).

3) Ток утечки (ток в обход p-n-перехода, обусловлен наличием различных проводящих плёнок, шунтирующих p-n-переход).

В реальных p-n -переходах наблюдается явление пробоя, под которым понимают резкое увеличение обратного тока.

Различают три вида пробоя:

1) Тепловой

2) Лавинный

3) Туннельный

Тепловой пробой обусловлен нагреванием p-n -перехода при протекании по нему обратного тока. Тепловой пробой необратим.

Лавинный пробой возникает в p-n -переходах при невысокой степени легирования, когда на длине свободного пробега носители успевают приобрести энергию достаточную для ионизации нейтрального атома. Лавинный пробой происходит в широких переходах при концентрации примесей не более 10¹⁸ см^-3. Пробой с увеличением температуры наступает при более высоком обратном напряжении.

Лавинный пробой обратим, если не перешёл в тепловой.

Туннельный пробой наблюдается в p-n -переходах, образованных вырожденными полупроводниками (сильно легированный полупроводник). Туннельный пробой происходит в очень узких переходах, имеющих толщину в доли микрона, которая получается при концентрации примеси свыше 10¹⁹ см^-3. Напряжение туннельного пробоя невелико. С ростом температуры уменьшается напряжения пробоя.

Дата добавления: 2014-01-06