Фізичні основи електроніки (стр. 6 из 9)
Рис. 4.2 Іонізація напівпровідника під дією сильного електричного поля:
а – способи переходу електрона в зону провідності під дією сильного електричного поля: 1 – шляхом ударної іонізації; 2 – шляхом тунельного просочування; б – розігрів електронів зони провідності в полях відносно невисокої напруженості, який приводить до ударної іонізації; в – ударна іонізація в сильних електричних полях
В полях високої напруженості електрон може набувати енергію, необхідну для іонізації атома, вже на одній довжині вільного пробігу (рис. 4.2в). таку ударну іонізацію називають високовольтною.
Горизонтальні переходи 2 відбуваються без затрати енергії шляхом тунельного просочування електронів через заборонену зону. Цей механізм називають електростатичною іонізацією або ефектом Зінера. Ймовірність його w сильно залежить від ширини забороненої зони і напруженості електричного поля. Фактично цей перехід відбувається через трикутний потенціальний бар’єр висотою Egта шириною X0. Для переходів типу 2 розрахунок приводить до наступного виразу для w:
~ 
. (4.6)Оцінка по цій формулі показує, що при
еВ ймовірність wстає помітною при 
В/м. У домішкових напівпровідниках помітна електростатична іонізація спостерігається уже в полях з напруженістю 
В/м.З (4.6) слідує, що w, відповідно і концентрація носіїв заряду, генерованих в напівпровіднику під дією електричного поля 
, не залежить від температури.(для випадку коли ширина забороненої зони не залежить від температури). Для більшості напівпровідників Eg з збільшенням температури зменшується і, відповідно, це приводить до зростання ймовірності тунельних переходів і зростання струму. Тобто при електростатичній іонізації температурний коефіцієнт спаду напруги є від’ємним на відміну від термоелектронної і ударної іонізації.
Збільшення концентрації носіїв заряду в результаті ударної і електростатичної іонізації не носить на перших порах лавинного характеру, так як вріноважується процесом рекомбінації, який протікає з тим більшою швидкістю, чим більше утворюється електронів в зоні провідності і дірок у валентній зоні. Але в дуже сильних електричних полях (порядку 107–109 В/м) починається лавинний характер наростання числа носіїв, який супроводжується пробоєм напівпровідника.
На рис. 4.3 приведена якісна крива зміни питомої електропровідності напівпровідника з підвищенням напруженості електричного поля
і вказані (орієнтовно) критичні значення напруженостей переходу від одного механізму зміни σ до іншого.Експериментально встановити вплив електричного поля на електропровідність напівпровідників можна шляхом дослідження вольт-амперних характеристик (ВАХ). Температурні дослідження дають можливість встановити механізм польової генерації. Принципова електрична схема для дослідження ВАХ представлена на рис. 4.4.
Рис. 4.3 Якісна залежність зміни питомої електропровідності напівпровідника від напруженості електричного поля: 1 – ділянка Ома; 2 – ділянка Френкеля або Пуля; 3 – ділянка електростатичної іонізації; 4 – пробій
Рис. 4.4 Принципова електрична схема для дослідження ВАХ
При температурних дослідженнях зразок поміщають у термостат. За експериментально виміряними характеристиками будують графіки I=f(U). З цих залежностей визначають:
– статичний опір
(4.7)– динамічний опір
(4.8)– коефіцієнт нелінійності k, який показує, у скільки разів
при заданій напрузі більший 
, 
; (4.9)– температурний коефіцієнт зміни струму
; (4.10)– температурний коефіцієнт зміни спаду напруги
. (4.11)Завдання до лабораторної роботи
1. Зібрати електричну схему, зображену на рис. 4.4. виміряти статичну ВАХ при температурах 300, 330, 360 К.
2. Обчислити електропровідність σ матеріалу при різних напругах для T=const.
3. Побудувати графіки залежності lnσ=f(E) або lnσ=f(U) для вимірюваних температур.
4. За формулами (4.7) – (4.11) основні параметри досліджуваного зразка. Проаналізувати механізм впливу температури на ВАХ та визначити механізм польової генерації.
5. Обчислити похибки вимірювань та зробити висновки.
Література
[1]. c. 320-331. [2]. c. 348-363. [4]. с. 288-301. [5]. с. 191-210.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5
Експериментальне вивчення ємнісних властивостей електронно-діркових переходів
Мета роботи: дослідження вольт-фарадних характеристик (ВФХ) p-nпереходів та визначення параметрів напівпровідникового матеріалу.
Необхідні прилади і матеріали: регульоване джерело постійної напруги; вольтметр; прилад для вимірювання електричної ємності; досліджувані зразки.
Теоретичні питання знання, яких необхідне для виконання лабораторної роботи:
1. Глибина екранування зовнішнього електричного поля.
2. Товщина p-n переходу та її залежність від напруги, концентрації та характеру розподілу легуючих домішок.
3. Дифузійна та бар’єрна ємності p-n переходу.
Основні теоретичні відомості та методика експерименту
Інжекція неосновних носіїв заряду (при прикладанні до p-n переходу прямої напруги) і екстракція неосновних носії (у випадку зворотної напруги), приводять до зміни, порівняно з рівноважними концентраціями, сумарного об’ємного заряду у електронейтральних областях p-n переходу.
Зміну сумарного заряду об’ємного Q, для прямо зміщеного p-n переходу, можна розглядати як дію деякої ємності С. Ця ємність одержала назву дифузійної (СДИФ). СДИФ можна знайти, виходячи з відомої залежності
і, у випадку емітера р-типу, її залежність від струму p-n переходу задається виразом: 
, (5.1)де IF і IR – значення прямого і зворотного струмів відповідно, τр – час життя дірок, q – заряд електрона.
Це рівняння показує, що дифузійна ємність проявляється при прямих напругах і збільшується з ростом прямого струму. При зворотних напругах вклад цієї ємності є незначним в силу значно меншої величини зворотного струму і при досягненні цим струмом постійного значення є сталою величиною.
Таким чином, СДИФ при великих зворотних напругах не проявляється. Але у цьому випадку суттєвим є прояв так званої зарядової або бар’єрної ємності. Формування і зміна цієї ємності полягає у наступному.
При прикладанні до p-n переходу зворотної напруги основні і неосновні носії вільні заряду виштовхуються (екстрагуються з прилягаючих до границь розділу шарів різного типу електропровідності). В результаті залишаються некомпенсовані об’ємні заряди нерухомих донорів і акцепторів. Очевидно, що чим з більшого об’єму будуть виштовхнуті полем рухомі носії заряду, тобто чим більші товщини dn і dp шарів об’ємного заряду, тим більша величина об’ємних некомпенсованих зарядів. Ця зміна об’ємних зарядів у p-n переході при зміні зворотної напруги і визначає роботу p-n переходу як електрично керованої ємності. Її вплив в електричних схемах проявляється в тому випадку, коли напруга на p-n переході змінюється з часом. Тоді окрім струму, який визначається статичною ВАХ, протікає додатковий ємнісний струм, рівний C(dU/dt). Він зв’язаний з зміною об’ємних зарядів з часом: I(t)=dQ/dt=(dQ/dU)* *(dU/dt). Тому бар’єрна ємність C=Cбар=dQ/dU. На відміну від звичайного конденсатора відношення заряду до повної напруги на p-n переході
не рівне його ємності, так як 
не дає ємнісного струму. Це пояснюється нелінійністю залежності Q(U); по цій же причині бар’єрна ємність залежить від напруги.У випадку несиметричного p+-n переходу (Na>>Nd) з ступінчатим розподілом домішки об’ємний заряд
, (5.2)де
– концентрація донорів в базі, 
– товщина збідненого шару несиметричного p-n переходу, UJ – контактна різниця потенціалів.