Вольтамперная характеристика р-n перехода, представленная на рис.4.3, существенно нелинейная, причем прямой ток значительно больше обратного.
I
I0
0 U
Рис. 4.3 Вольтамперная характеристика тонкого перехода.
Оценивают нелинейность вольтамперной характеристики сравнением сопротивления при прямом и обратном смещении. Поэтому вводят дифференциальное сопротивление перехода
Ri = dU / dI, (4.21)
а также сопротивление постоянному току
Rn = U /I (4.22)
Таким образом р-n переход характеризуется весьма малым сопротивлением при прямом включении и очень большим при обратном, т. е. обладает вентильным или выпрямляющими свойствами.
Такими свойствами переход обладает до определенной температуры, после чего происходит потеря выпрямляющих свойств.
Согласно закону действующих масс:
Pno = ni2 / nno, npo = ni2 / ppo, (4.23)
где ni – концентрация собственных носителей.
Отсюда следует, что с повышением температуры ni будет быстро увеличиваться, в то время как nno = Nд и ppo = Na от температуры практически не зависят. Поэтому при некоторой температуре ni может достичь значения, равного nno / ppo. Тогда pno = ni2 / nno = nno2 / nno ≈ nno и концентрация основных носителей окажется равной концентрации неосновных носителей. При такой температуре потенциальный барьер р-n перехода, обуславливающий его выпрямляющие свойства, исчезает
Δφ = kTln (nno / pno) ≈ kTln1 = 0 (4.24)
Эта температура тем выше, чем шире запрещенная зона полупроводника.
Следует отметить, что вольтамперная характеристика (4.12) получена для тонкого р-n перехода, когда не учитываются процессы генерации и рекомбинации в области перехода. Для реального или толстого перехода, характеристика выглядит несколько иначе (пунктирная линия на рис.4.3). На прямой ветви при том же напряжении ток несколько меньше из-за наличия рекомбинационного тока и падения напряжения на прилегающих областях полупроводника. Обратная ветвь характеристики отличается тем, что из-за преобладания процесса генерации носителей в области перехода обратный ток не остается постоянным, а возрастает по абсолютной величине пропорционально √U. Нелинейный вид вольтамперной характеристики р-n перехода позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. Полупроводниковый прибор, выполняющий эту роль, называется полупроводниковым диодом. Он состоит из р-n перехода, пассивных р и n областей, которым подведены омические контакты для соединения с внешними выводами. Одна из областей n или р всегда является более высокоомной и ее принято называть базой. Низкоомную область называют эмиттером.
Материалами для выпрямительных диодов служат, как правило, германий и кремний. КПД таких диодов приближается к 100%, что в сочетании с их малым весом и габаритами, механической прочностью обеспечило им широкое практическое применение.
Другой весьма широкой областью применения полупроводниковых диодов являются импульсные схемы радиотехники, вычислительной техники, автоматики, СВЧ-техники. Одним из основных требований к диодам, предназначенным для таких схем, является быстродействие.
При переключении диода в нем протекают переходные процессы (накопление или инжекция неосновных носителей при прямом смещении и рассасывание или экстракция при обратном смещении), которые и ограничивают быстродействие.
Так как эти процессы завершаются, в основном, за время жизни неосновных носителей τ, то чем меньше τ, тем выше быстродействие диода. Поэтому стремятся сделать τ как можно меньше.
По отношению к быстропеременному сигналу р-n переход ведет себя как сопротивление R, созданное запорной областью, зашунтированное емкостью C р-n перехода. При подаче на диод прямого смещения ток в диоде в начальный момент представляет собой, в основном, ток зарядки емкости и по своей величине может быть большим. При переключении диода в запорное направление обратный ток представляет собой в начальный момент ток разрядки емкости и также может быть большим. Чтобы увеличить быстродействие диода и его высокочастотные свойства необходимо уменьшать емкость р-n перехода. Сделать это можно, в частности, переходом к точечным диодам, имеющим предельно малую площадь контакта. Эти и другие меры позволяют довести их рабочие частоты до 109 Гц.
Эквивалентная схема диода представлена на рис. 4.4
Здесь Ra – активное сопротивление перехода, r – сопротивление пассивных прилегающих областей, Cб – барьерная емкость и Сд – диффузионная емкость.
Cд
r Ra
Cб
Рис.4.4 Эквивалентная схема диода.
Дополнительно к барьерной емкости при прямом смещении перехода добавляется, обусловленное инжекцией неосновных носителей в базу диффузионная емкость. Как показывает расчет, для малого переменного сигнала
Cд = q / 2kT (Ip τp + In τn), (4.25)
Где Ip, In – дырочная и электронная составляющие тока через переход;
τp, τp – время жизни дырок и электронов.
Частотная зависимость эквивалентных параметров несимметричного р-n перехода задается следующими соотношениями [ I ]:
(4.26)
(4.27)
где ω – круговая частота,
I0 – ток насыщения.
Уменьшение на высоких частотах сопротивления перехода приводит к тому, что все большая часть напряжения, приложенного к диоду, падает не на переходе, а на сопротивлениях пассивных областей диода. За предельную частоту работы диода принимают частоту, при которой эквивалентное сопротивление перехода оказывается равным сопротивлению r (рис. 4.4)
На высоких частотах эквивалентное сопротивление является барьерной емкостью, так как она не зависит от частоты. Следовательно, r = 1/ (ωпред* Сб), а, значит,
ωпред = 1 / (r* Cб) (4.28)
Сопротивление можно уменьшать, улучшая качество омических контактов и уменьшая толщину пассивных областей. Барьерную емкость можно уменьшить путем уменьшения площади перехода в точечных диодах.
4.2. КОНТАКТ МЕТАЛЛА С ПОЛУПРОВОДНИКОМ.
Свойства контакта с полупроводником зависят, главным образом, от взаимного расположения уровней Ферми в контактирующих материалах.
На рис. 4.5 представлены зонные диаграммы контакта металл – полупроводник n-типа. На рис. 4.5, а показан случай, когда работа выхода электрона из металла больше, чем работы выхода электрона из полупроводника. Фм > Фn. На рис. 4.5, б при обратном соотношении Фм < Фn. По определению работой выхода или термодинамической работой выхода, называют величину энергии, необходимую при удалении электрона с уровня Ферми на нулевой уровень, за который обычно принимают энергию электрона, вышедшего на поверхность кристалла.
Если Фм > Фn , то после установления контакта часть электронов из полупроводника перейдет в металл. Направленный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми в обоих частях системы не займут одинаковое положение. Тогда в полупроводнике вблизи границы возникнет положительный пространственный заряд, а в металле – отрицательный. Это приведет к искривлению уровней в полупроводнике и возникновению потенциального барьера высотой Δφ0, которая равна
Δφ0 = (φм – φт ) / q (4.29)
Особенностью рассматриваемого контакта является то, что проводимость металла много больше проводимости полупроводника, и, следовательно, обедненный подвижными носителями слой будет, практически весь находится в полупроводнике. Такой слой называется запирающим или выпрямляющим.
В случае же, изображенном на рис. 4.5, б, когда Фм < Фn, энергетические зоны в приграничной области искривятся вниз, эта область окажется обогащенной основными носителями заряда и она будет мало влиять на сопротивление структуры в целом.
Следовательно, подключение внешнего источника питания в том или ином направлении не приведет к существенному изменению сопротивления структуры. Это позволяет считать рассмотренный контакт невыпрямляющим. Такие контакты называют также антизапирающими.
| |
Металл полупроводник Металл полупроводник
- εco + -
- + Δφ0q + -
- + + -
+ εco
εF 0 εf εf 0 εf
Фм > Фn Фм < Фn
εv0 εv0
l0 l0
 | |
Зонные диаграммы контакта металл – полупроводник в равновесном состоянии:
а) запирающего и б) антизапирающего
Очевидно, кнтакт металла с полупроводником р-типа будет обладать запирающими свойствами, если Фм < Фn. В случае Фм > Фn контакт будет антизапирающим.
Толщина обедненного слоя в запирающем контакте определяется соотношением
(4.30)
При приложении внешнего напряжения
(4.31)
Вольтамперная характеристика запирающего контакта подобна характеристике контактов полупроводник-полупроводник с той лишь разницей, что природа обратного тока здесь несколько другая.
(4.32)
где 
-тепловой ток или ток насыщения;
-тепловая скорость электронов;
Δφ0 - потенциальный барьер, определяемый из (4.29).
Приборы, принцип действия которых основан на нелинейности вольтамперной характеристики при прохождении основными носителями заряда выпрямляющего контакта металл-полупроводник, получили название диоды Шотки.
Существенное отличие таких диодов состоит в том, что перенос тока в них осуществляется основными носителями заряда и не приводит к появлению процессов инжекции и экстракции неосновных носителей. Поэтому быстродействие диодов Шотки значительно выше, чем у диодов с р-n-переходниками. Они также отличаются малым падением напряжения при прямом смещении (0,3 – 0,4 В). В качестве полупроводника в них используются материалы с большой шириной запрещенной зоны, высокой подвижностью и относительно небольшим значением диэлектрической проницаемости. Наиболее часто употребляют кремний и арсенид галия. В качестве металла наиболее часто используются: золото, алюминий, медь.
Область применения антизапирающих (невыпрямляющих) контактов металл-полупроводник – это создание различного рода омических контактов с линейной вольтамперной характеристикой для присоединения внешних выводов к отдельным участкам полупроводниковой структуры.
Пример 9. Дифференциальное сопротивление диода.
Вычислить дифференциальное сопротивление диода при прямом смещении 0,1 В, Т=290 К, тепловом токе I0 = 1 А/м2, сечении перехода S=10-6 м2.
Решение. Дифференцируя вольтамперную характеристику диода
I = I0 [exp (U / φT) –1],
Получим дифференциальную проводимость
Подставляя сюда значение exp(U/φT) из предыдущего выражения получим
Следовательно, дифференциальное сопротивление диода:
Rд = φT / (I + I0) S
Значение плотности тока I определяем из уравнения вольтамперной характеристики
[А/м2]
Вычисляем дифференциальное сопротивление
[Ом]
4.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Транзистор – усилительный полупроводниковый прибор. При всем многообразии типов и выполняемых функций транзисторы прежде всего являются усилительными приборами с различными принципами усиления сигналов электромагнитной природы.
Усилительными называются приборы, способные усиливать электрическую мощность. Приборы, усиливающие только ток или напряжение, к числу усилительных не относятся. Принцип работы усилительного прибора основан на изменении его активного или реактивного сопротивления под действием сигнала малой мощности.
Биполярный транзистор состоит из двух близкорасположенных друг к другу р-n переходов. По своей структуре он может быть р-n–р или n–p–n типов. На рис. 4.6 приведены упрощенная модель биполярного р-n–р транзистора и его зонная диаграмма.
э 1 б 2 к
Iэ Iк p
n
n p n εc n
εF εc
Rн
Uвх Iб εv εF
Uэ Uк
- + - +
εv
Рис. 4.6. Модель транзистора, включенного по схеме с общей базой, и зонная диаграмма, соответствующая рабочему режиму.
Центральная область транзистора называется базой (Б), к ней прилегают эмиттерная (Э), и коллекторная (К) области. Рассмотрим режим работы транзистора по схеме с общей базой, как показано на рисунке 4.6. Здесь на эмиттерный переход подано прямое смещение Uэ, на коллекторный переход – обратное.
Принцип работы биполярного транзистора основан на изменении сопротивления обратного смещенного перехода за счет инжекции носителей заряда. Коллекторный переход при отсутствии инжекции из эмиттера имеет большое сопротивление. Поэтому в цепь коллектора можно включить высокоомную нагрузку Rн.
Для уменьшения потерь на рекомбинацию инжектированных в базу электронов эмиттерный и коллекторный переходы располагают на расстоянии, меньшем диффузионной длины носителей W<<Ln.
При прямом смещении эмиттерного перехода поток инжектированных электронов практически без потерь доходит до коллектора. В результате ток коллектора повышается от малого значения обратного тока Jко до Jк»Jэ, а сопротивление коллекторного перехода снижается пропорционально возрастанию тока инжекции. Падение напряжения на эмиттере будет равно
Uэб=Uвх=Jэ*Rэ. Так как сопротивление Rн значительно больше Rэ, то при одинаковых токах Uвых>>Uвх. Выделяемая в нагрузке мощность Рвых»Uвых*Jэ, а мощность затрачиваемая в эмиттерной цепи Рвх=Uвх*Jэ. Так как Uвых>>Uвх, то Рвых>>Pвх.
Следовательно, биполярный транзистор является усилительным прибором, так как он способен усиливать мощность.
Основным параметром транзистора является коэффициент по току a, который выражает отношение изменения коллектора к вызвавшему его изменения тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторном переходе:
a = (δJк /δJэ)Uк (4.33)
Коэффициент α называют внешним параметром транзистора. Он определяется через три внутренних параметра: эффективность эмиттера γ, коэффициент переноса β и эффективность коллектора α*.
Эффективность эмиттера определяется следующим соотношением:
(4.34)
Где sp - проводимость базы,
sn - проводимость эмиттера,
Lp - диффузионная длинна дырок.
Для того, чтобы приблизить g к единице, необходимо легировать эмиттер намного сильнее чем базу (sp>>sn) и делать базу тонкой (W<<Lp).
Коэффициент переноса b можно выразить следующим соотношением [I]:
(4.35)
Он также меньше единицы и приближается к ней с уменьшением ширины базы. Эффективность коллектора a*=(dJк/dJnк)*Uк, может превышать единицу, если в коллекторном переходе происходит ударная ионизация. В обычном же режиме значение a* практически равно 1. Из (4.33) – (4.35) следует
a=gba* (4.36)
Подставляя значения параметров, получим
(4.37)
Из (4.37) следует, что в схеме с общей базой усиление по току не происходит (a<1).
Связь между токами в схеме с общей базой определяется следующими соотношениями:
Jэ=Jк+Jб (4.38)
Jк=a*Jэ (4.39)
Аналогично можно записать связь между коллекторным и базовым токами:
Jк=B*Jб (4.40)
где В - коэффициент передачи базового тока.
Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока связаны соотношением:
(4.41)
Транзисторы могут включать по схемам: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором. У всех трех схем включения коэффициент усиления по мощности больше единицы.
Схема с общей базой характеризуется по сравнению с другими самым низким входным и самым высоким выходным сопротивлениями. Коэффициенты усиления по току и по напряжению больше единицы. Схема с общим коллектором обладает самым низким выходным и самым высоким входным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению при этом меньше единицы.
Схема с общей базой обладает хорошими частотными характеристиками, но не обеспечивает усиление по току и имеет малое входное сопротивление. Поэтому наибольшее использование в транзисторной технике находит схема с общим эмиттером.
Существуют четыре режима работы биполярных транзисторов: нормальный активный, двойной инжекции (насыщение), отсечки и инверсный активный.
В нормальном активном эмиттерный переход включен в прямом, а коллекторный – в обратном направлениях. В режиме двойной инжекции эмиттерный и коллекторный переходы включены в прямом направлении. В режиме отсечки оба перехода включены в обратном направлении. В инверсном активном режиме коллекторный переход включен в прямом, а эмиттерный в обратном направлении.
В нормальном активном и инверсном активном режимах транзистор работает как усилительный прибор и принципиального различия между этими двумя режимами нет. Однако, в инверсном режиме слаболегированный коллектор не обеспечивает достаточно высокого коэффициента инжекции, в результате чего снижается усиление.
На рис. 4.7 представлены входные и выходные характеристики транзисторов, включенных по схеме с общей базой.
 |  |
 |  |
