Контактная разность потенциалов

 

Наличие ионов примесей в запирающем слое p–n перехода создает разность потенциалов , которую называют потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов. Значение контактной разности потенциалов определяется положениями уровней Ферми в областях n– и p–типа

. (2.13)

А для нахождения ее величины воспользуемся тем, что ток диффузии уравновешивается током дрейфа одноименных носителей

, (2.14)

. (2.15)

Учитывая, что коэффициент диффузии связан с подвижностью носителей заряда соотношением Эйнштейна

, (2.16)

где величину – называют тепловым потенциалом , из (2.15) получим

. (2.17)

Интегрируя это выражение и используя условие (2.13), получим выражение для контактной разности потенциалов

. (2.18)

Контактная разность потенциалов зависит:

1. От ширины запрещенной зоны полупроводника. При одинаковых концентрациях примесей она выше у полупроводников с большей шириной запрещенной зоны.

2. От концентрации примесей в смежных областях полупроводника. При их увеличении контактная разность потенциалов возрастает.

3. От температуры полупроводника. При ее увеличении контактная разность потенциалов уменьшается.

 

2.6. Прямое включение p–n перехода

 

При подключении к p–n переходу внешнего электрического поля динамическое равновесие токов нарушается. Поведение p–n перехода зависит при этом от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение приложено навстречу контактной разности потенциалов, то такое включение p–n перехода называют прямым (рис. 2.5,а). Внешнее (прямое) напряжение почти полностью падает на p–n переходе, сопротивление которого во много раз выше сопротивления p– и n–областей. С увеличением прямого напряжения высота потенциального барьера уменьшается . Основные носители областей полупроводника, приближаясь к p–n переходу, частично компенсируют объемные пространственные заряды, уменьшая тем самым ширину запирающего слоя и его сопротивление (рис. 2.5,б). В цепи протекает электриче ский ток, при этом диффузионная составляющая тока через переход увеличивается, а дрейфовая – уменьшается.

При толщина p–n перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении запирающий слой исчезает. Вследствие чего электроны и дырки (основные носители заряда в n– и p–областях) начинают свободно диффундировать в смежные области полупроводника. Увеличение диффузионной составляющей тока через p–n переход при неизменной дрейфовой составляющей приводит к нарушению термодинамического равновесия

.

Через переход протекает ток, который называется прямым.

Процесс переноса носителей заряда через прямосмещенный электронно–дырочный переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией. Часто прямой ток называют током инжекции.

В несимметричном p–n переходе, когда концентрация электронов в n–области во много раз больше концентрации дырок в p–области, диффузионный поток электронов во много раз превышает поток дырок и ими можно пренебречь. В данном случае имеет место односторонняя инжекция электронов. Область, из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются носители, – базой.

Неравновесные неосновные носители зарядов диффундируют в глубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление электронейтральности происходит за счет поступления носителей заряда от внешнего источника взамен ушедших к p–n переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Это приводит к появлению электрического тока во внешней цепи – прямого тока.

 

2.7. Обратное включение p–n перехода

 

При обратном включении p–n перехода внешнее напряжение приложено знаком "плюс" к n–области (рис. 2.6,а). Создаваемое им электрическое поле совпадает по направлению с внутренним полем перехода, увеличивая высоту потенциального барьера

. (2.19)

Под действием обратного напряжения основные носители будут как бы отталкиваться от граничного слоя и дрейфовать вглубь полупроводника. При этом ширина слоя, обедненного основными носителями, увеличивается по сравнению с равновесным состоянием. Сопротивление p–n перехода для прохождения тока основных носителей увеличивается. Происходит изменение в соотношении токов через p–n переход. Диффузионный ток уменьшается и в предельном случае с ростом потенциального барьера стремится к нулю (рис. 2.6,б).

Для неосновных носителей заряда поле в p–n переходе остается ускоряющим, они захватываются им и переносятся через p–n переход. Процесс переноса неосновных носителей заряда через обратносмещенный p–n переход в область полупроводника, где они становятся основными носителями, называется экстракцией.

Дрейфовый ток, создаваемый неосновными носителями, называется тепловым током . Так как концентрация неосновных носителей относительно мала, то и ток, образуемый ими, не может быть большим. Кроме того, он практически не зависит от величины поля в p–n переходе, т.е. является током насыщения неосновных носителей. Все неосновные носители, которые подходит к p–n переходу, совершают переход через него под действием поля, независимо от его величины. Поэтому ток определяется только концентрацией неосновных носителей и их подвижностью. Концентрация неосновных носителей, а следовательно, и тепловой ток сильно зависят от температуры.

По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии и поэтому результирующий ток p–n перехода равен

. (2.20)

При током основных носителей заряда можно пренебречь. Поэтому тепловой ток в этом случае называют током насыщения.

Таким образом p–n переход обладает вентильными свойствами.

1. При приложении прямого смещения через переход протекает электрический ток, значение которого при повышении напряжения увеличивается по экспоненциальному закону. Сопротивление перехода минимально.

2. При смещении p–n перехода в обратном направлении его сопротивление возрастает, и через переход протекает малый тепловой ток.

Таким образом p–n переход обладает односторонней проводимостью, что используется при создании полупроводниковых приборов.

Считается, что возрастает при уменьшении ширины запрещенной зоны полупроводника, из которой выполнен p–n переход. у германиевых p–n переходах обычно на два–четыре порядка выше, чем у кремниевых.

 

2.8. Вольт–амперная характеристика p–n перехода

 

Вольт–амперная характеристика (ВАХ) p–n перехода представляет собой зависимость тока через p–n переход от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитически ВАХ представляется экспоненциальной зависимостью

, (2.21)

где – обратный ток насыщения p–n перехода, который определяется физическими свойствами полупроводника и имеет небольшую величину (мкА или нА);

U – напряжение, приложенное к p–n переходу;

– температурный потенциал;

q – заряд электрона.

Вольт-амперная характеристика показана на рис. 2.7, и отражает физические процессы в p–n переходе, рассмотренные выше. При прямом смещении p–n переход имеет малое сопротивление и через него протекает прямой ток.

При (точка 1 на рис. 2.7.) потенциальный барьер исчезает, и характеристика представляет собой почти прямую линию, наклон которой определяется сопротивлением базы.

При обратном смещении сопротивления p–n перехода велико, и через него протекает небольшой обратный ток, приближающийся по величине к значению .

Таким образом p–n переход характеризуется свойством односторонней проводимости: хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо в обратном, т.е. p–n переход обладает выпрямительными свойствами. Это позволяет использовать p–n переход как выпрямитель переменного тока.

Параметрами ВАХ являются:

1. – дифференциальное сопротивление (сопротивление, которое оказывает p–n переход протекаемому переменному току) при прямом смещении. Выражение для получаем из (2.20)

. (2.22)

2. – сопротивление постоянному току (сопротивление p–n перехода в данной рабочей точке) и определяется

. (2.23)

На линейном участке ВАХ при прямых токах единицы–десятки мА составляет единицы–десятки Ом, и всегда больше .

 

2.9. Пробой p–n перехода

 

Резкое возрастание обратного тока p–n перехода при достижении обратным напряжением определенного критического значения называют пробоем р–n перехода.

Различают два вида пробоя перехода:

– электрический;

– тепловой.

Вид ВАХ пробоя представлен на рис. 2.8.

При электрическом пробое количество носителей в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки.

Различают следующие разновидности электрического пробоя: лавинный, туннельный и поверхностный.

Лавинный вид пробоя возникает у слаболегированных полупроводниках, в относительно широких р–n переходах (кривая 1 на рис. 2.8). Суть лавинного пробоя заключается в лавинном размножении носителей заряда в сильном электрическом поле под действием ударной ионизации. Неосновные носители заряда, движущиеся через р–n переход, ускоряются полем так, что могут при столкновении с решеткой кристалла разорвать валентную связь. Появляется новая пара электрон–дырка, которая ускоряется полем и в свою очередь вызывает ионизацию следующего атома. При лавинной ионизации ток в цепи ограничен только внешним сопротивлением. Количественной оценкой лавинного процесса является коэффициент лавинного умножения носителей M, показывающий во сколько раз ток, протекающий через р–n переход, превышает обратный ток , который определяется из эмпирического выражения

,

где b – коэффициент зависящий от материала полупроводника.

С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей и энергия, которую может достичь носитель; а следовательно увеличивается напряжение лавинного пробоя. При лавинном пробое падение напряжения на р–n переходе остается постоянным.

Туннельный вид пробоя возникает в сильнолегированных полупроводниках, в относительно узких р–n переходах (кривая 2 на рис. 2.8).

При относительно небольших обратных напряжениях напряженность электрического поля в переходе достигает большой величины (более В/см). Это приводит к искривлению энергетических зон полупроводника так, что энергия электронов валентной зоны полупроводника р–типа становится такой же, как и энергия свободных электронов зоны проводимости n–типа. Это вызывает переход электронов "по горизонтали" из области р в область n, минуя запрещенную зону. Во внешней цепи протекает туннельный ток. С повышением температуры увеличивается энергия носителей заряда, растет и вероятность туннельного перехода, а напряжение пробоя падает.

Поверхностный вид пробоя обусловлен изменением электрического поля на поверхности р–n перехода за счет скопления значительного количества зарядов на поверхности полупроводника. По своей природе поверхностный пробой может быть лавинным, туннельным или тепловым. Для защиты от поверхностного пробоя применяют диэлектрические покрытия.

Тепловой пробой возникает вследствие разогрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе (кривая 3 на рис. 2.8). Нагрев может происходить за счет протекания большого обратного тока через р–n переход, или за счет внешнего источника тепла. При нагреве перехода происходит генерация электронно–дырочных пар и увеличение обратного тока через переход. Характерной особенностью теплового пробоя является наличие участка на ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если при электрическом виде пробоя нарушается тепловое равновесие перехода, то электрический пробой переходит в тепловой.

Если р–n переход сохраняет свои свойства после пробоя при уменьшении обратного напряжения, то такой пробой называют обратимым. К обратимому пробою относятся лавинный и туннельный.

Если пробой приводит к выходу р–n перехода из строя, то его называют необратимым. Необратимый пробой бывает двух видов: тепловой и поверхностный.

2.10. Емкостные свойства p–n перехода

 

Наличие в р–n переходе ионов примесей и подвижных носителей заряда, находящихся вблизи границы перехода, обуславливает его емкостные свойства (рис. 2.9).

Имеются две составляющие емкости р–n перехода: барьерная (зарядная) и диффузионная . Барьерная емкость обусловлена наличием в р–n переходе ионов донорной и акцепторной примесей, р– и n– области образуют как бы две заряженные обкладки конденсатора, а сам обедненный слой служит диэлектриком. В общем случае зависимость зарядной емкости от приложенного к р–n переходу обратного напряжения выражается формулой

, (2.24)

где – емкость р–n перехода при , лежит в пределах 300…600 пФ;

– коэффициент, зависящий от типа р–n перехода (для резких р–n переходов g = 1/2, а для плавных g = 1/3).

Из выражения (2.24) видно, что с увеличением обратного напряжения барьерная емкость уменьшается. То есть, при увеличении обратного напряжения толщина обедненного слоя р–n перехода возрастает, обкладки конденсатора как бы раздвигаются, и емкость его падает. Это свойство барьерной емкости позволяет использовать переход как емкость, управляемую величиной обратного напряжения.

Зависимость емкости от приложенного напряжения называется вольт-фарадной характеристикой. Характер зависимости показан на рис. 2.10, где кривая 1 соответствует плавному р–n переходу, кривая 2 – резкому р–n переходу.

Диффузионная емкость обусловлена изменением числа неравновесных носителей заряда в базе при возрастании прямого напряжения на переходе (кривая 3 на рис. 2.10)

, (2.25)

где I_пр – прямой ток, протекающий через переход; t – время жизни инжектированных носителей.

 

При переходе в область прямых напряжений возрастает не только барьерная емкость, но и емкость, обусловленная накоплением неравновесного заряда в р– и n–областях перехода.

Накопленные носители в р– и n–областях быстро рекомбинируют, следовательно диффузионная емкость уменьшается во времени. Скорость спада зависит от времени жизни t неравновесных носителей заряда. Диффузионная емкость всегда зашунтирована малым прямым сопротивлением р–n перехода и во многом определяет быстродействие полупроводниковых элементов.

 

Полупроводниковые диоды

 

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор, содержащий один или несколько переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явления в переходе. В диодах применяются электронно–дырочный переход, контакт металл–полупроводник, гетеропереход.

Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником: имеет два вывода и нелинейную ВАХ.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р–n переходов. Низкоомная область диодов называется эмиттером, а высокоомная – базой.

Полупроводниковые диоды классифицируются: по роду исходного материала, конструкторско–технологическим особенностям, назначению и др.

По типу исходного материала диоды бывают: германиевые, кремниевые, селеновые, карбид–кремниевые, арсенид–галлиевые и др.

По конструкторско–технологическим особенностям диоды бывают: точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, эпитаксиальные, с барьером Шоттки, поликристаллические и др.

По назначению диоды делятся на:

1. Выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное.

2. Стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющие на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока.

3. Варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением.

4. Импульсные диоды, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах.

5. Туннельные и обращенные диоды, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний.

6. Сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний.

7. Светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию.

8. Фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.