Физические основы полупроводниковых приборов (стр. 2 из 2)

а) б)

Рисунок 4

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов: u_K= φ_n- φ_p и электрическое поле, направленное от n - области к p - области.

Как видно, в p-n - переходе возникает потенциальный барьер, который препятсвует диффузии основных носителей зарядов.

Высота потенциального барьера равна контактной разнице потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях, при этом толщина p-n - перехода d уменьшается. Для германия, например, при средней концентрации примесей u_K= 0,3 - 0,4 В и d = 10^-4 - 10^-5 см, а при больших концентрациях - u_К ≈0,7 В и d = 10^-6 см. С увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Такое перемещение не основных носителей зарядов называется дрейфовым.

При отсутствии внешнего электрического поля через p-n - переход протекают два тока: ток диффузии и ток дрейфа.

Ток диффузии и ток дрейфа через p-n - переход протекают навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Суммарный ток через p-n - переход равен нулю.

При образовании контактной разности потенциалов по обе стороны границы раздела полупроводников образуется слой с пониженной концентрацией основных носителей зарядов. Он обладает повышенным сопротивлением и называется запирающим слоем. Толщина его несколько микрон.

Внешнее напряжение U, приложенное плюсом к p - области p-n - перехода, а минусом к n - области, называется прямым напряжением U_пр.

Если к p-n - переходу приложено внешнее прямое напряжение U_пр, то создаваемое им внешнее электрическое поле E_пр оказывается направленным навстречу электрическому полю p-n - перехода -E_к. В результате этого высота потенциального барьера понижается на величину внешнего напряжения. Одновременно уменьшается толщина запирающего слоя (d_пр < d) и его сопротивление в прямом направлении становится малым. Так как высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей зарядов может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа не основных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на p-n - переход из p - и n - областей.

Рисунок 5

При прямом напряжении I_диф > I_др и поэтому полный ток через переход т.е. прямой ток, уже не равен нулю:

I_пр = I_диф − I_др > 0. (1.2)

Ток, протекающий через p-n - переход под действием приложенного к нему прямого внешнего напряжения, называется прямым током. Протекающий через p-n - переход прямой ток направлен из p - области в n - область.

Введение носителей зарядов через p-n - переход при действии прямого внешнего напряжения в область полупроводника, где эти носители являются не основными, называется инжекцией.

Внешнее напряжение, приложенное “плюсом" источника питания к n - области p-n - перехода, а “минусом“ к p - области называется обратным.

Рисунок 6

Под действием обратного напряжения U_обр через переход протекает очень небольшой обратный ток I_обр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением E_обр, складывается с полем контактной разности потенциалов E_к. В результате этого потенциальный барьер повышается, а толщина самого запирающего слоя увеличивается (d_обр > d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т.е. R_обр >> R_пр.

Внешнее поле оттягивает основные носители зарядов от p-n - перехода. Перемещение свободных носителей зарядов через p-n-переход уменьшается, и при обратном напряжении, равном U_обр = 0,2В, ток диффузии через переход прекращается, т.е. I_диф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления потенциального барьера. Однако не основные носители будут перемещаться через p-n - переход, создавая ток, протекающий из n-области в p - область (обратный ток I_обр). Он является дрейфовым током (током проводимости) не основных носителей через p-n - переход. Значительное элек-трическое поле, создаваемое обратным напряжением, перебрасывает через p-n - переход любой не основной носитель заряда, появившийся в этом поле.

Выведение не основных носителей через p-n - переход электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей зарядов.

Таким образом, p-n - переход пропускает ток в одном направлении - прямом, и не пропускает ток в другом направлении - обратном, что определяет вентильные свойства p-n - перехода.

Вольт-амперной характеристикой (ВАХ) p-n - перехода называется зависимость тока, протекающего через p-n - переход от приложенного внешнего напряжения I = f (U) (рис.7).

Рисунок 7 - Вольт-амперная характеристика p-n - перехода: 1 - прямая ветвь; 2 - обратная ветвь при лавинном пробое; 3 - обратная ветвь при тепловом пробое

Прямую 1 и обратную 2 ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n - перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого.

При достижении обратным напряжением некоторой критической величины U_проб происходит резкое уменьшение сопротивления p-n - перехода. Это явление называется пробоем p-n - перехода, а соответствующее ему напряжение - напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробой. Электрический пробой (участок АБВ характеристики) является обратимым, т.е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Могут существовать два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для p-n - переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 10⁵В/см, действующем в p-n - переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Области теплового пробоя соответствует на рис.7 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, т.к он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p-n - перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима p-n - перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количества теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

Рисунок 8 - Вольт-амперная характеристика p-n-перехода: 1 - при 20°С; 2 - при 50°С

На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей зарядов, т.е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. При повышении температуры прямой и обратный ток растут. Для p-n - переходов на основе германия обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°C; на основе кремния - при нагреве на каждые 10°C обратный ток увеличивается примерно в 2,5 раза. Прямой ток при нагреве p-n - перехода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

Барьерная (зарядная) и диффузионная емкость p-n - перехода

Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +Q_обр и − Q_обр, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому p-n-переход обладает емкостью. Эту емкость называют барьерной емкостью.

При прямом напряжении кроме барьерной емкости существует диффузионная емкость. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей зарядов в p - и n - областях при прямом напряжении на переходе, когда носители зарядов в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в p - и n - областях.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной.

Рисунок 9 - Зависимость емкости p-n-перехода от приложенного напряжения