Основные положения модели поведения полупроводниковых приборов

1.3.1. Полупроводниковый p-n-переход.

Полупроводниковым p-n-переходом называют тонкий слой, образующийся в месте контакта двух областей полупроводников акцепторного и донорного типов (см. рис. 1.6.). Обе области полупроводника, изображенные на рисунке, электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примеси электрически нейтральны. Отличия этих областей - в том, что левая из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а правая свободно перемещающиеся электроны.

Рассмотрим процесс чисто качественно. В результате теплового хаотического движения одна из дырок из левой области p-типа может попасть в правую область n-типа, где быстро рекомбинирует с одним из электронов. В результате этого в правой области появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд (см. рис. 1.6.). Аналогично, в результате теплового движения один из электронов из правой области может попасть в леву, где быстро рекомбинирует с одной из дырок. В результате этого в правой области также появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд.

Рис.1.6.Распределение зарядов в области p-n-перехода

Зона между пунктирами называется зной, объединённой основными носителями. Если степень легирования полупроводников одинакова, то эта зона располагается симметрично относительно границы раздела полупроводника. Ее толщина измеряется микронами. Если степень легирования существенно различна, то зона становится ассиметричной. Ее толщина больше со стороны полупроводника со слабым легированием. Сильно легированный полупроводник называется эмиттером, а слабый базой.

Появление этих зарядов приведет к появлению электрического поля E на границе областей полупроводника. Это поле будет отталкивать дырки p-области влево от границы раздела полупроводников, а электроны n-области - вправо от этой границы. С электрическим полем E можно связать потенциальную энергию дырки и электрона необходимую для перехода в соседнюю область (см. рис. 1.6.). Получается, что дырка для перехода из p-области в n-область должна "забраться" на потенциальный порог высоты W. На аналогичный порог должен "забраться" электрон для перехода из n-области в p-область. Если степень легирования областей p и n одинаковая, то и высота порогов будет одинаковой. Этот случай и представлен на рисунке 1.6.

Рассмотренные переходы основных носителей сформируют плотность тока основных носителей через p-n-переход J_осн.

В состоянии равновесия этот ток будет компенсироваться током неосновных носителей, формируемым неосновными носителями - дырками n-области и электронами p-области. Однако этих носителей очень мало, и ток неосновных носителей лимитируется именно их числом, хотя поле E "содействует" этому току (см. рис. 1.6.).

Если к p-n-переходу приложить внешнюю разность потенциалов U, как это показано на рис. 1.7. (а) (это - так называемое прямое включение p-n-перехода), то внешнее поле E уменьшит существующее в кристалле поле E, и высота порогов на рис. 1.7. уменьшится, тогда ток основных носителей возрастет. Зависимость нарастания и основного I_осн от U носит экспоненциальный характер.

Ток неосновных носителей при этом практически не изменится, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей. На рис. 1.8. изображены зависимости тока основных и неосновных носителей при увеличении внешнего напряжения U, а также построен участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) при .

а б

Рис.1.7. Потенциальные пороги вблизи p-n-перехода при прямом (а) и обратном (б) включении внешнего напряжения на нем.

Если к p-n-переходу приложить внешнюю разность потенциалов "наоборот", как это показано на рис. 1.7. (б) (так называемое обратное включение p-n-перехода), то внешнее поле E увеличит существующее на границе поле E, и высота порогов на рис. 1.6. увеличится. Ток основных носителей от этого уменьшится. Ток неосновных носителей при этом практически не изменится, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей. На рис. 1.8. изображены зависимости тока основных и неосновных носителей при "обратном" включении внешнего напряжения U, и построен участок ВАХ при .

Пробой p-n-перехода. Если продолжать увеличение напряжения обратной полярности, то при некотором напряжении U_np, называемом напряжением пробоя, произойдет пробой p-n-перехода. Это связано с тем, что в закрытом состоянии p-n-перехода почти все приложенное напряжение действует в тонком пограничном слое. Поэтому в нем сформируется большая напряженность электрического поля, способная ускорить электрон на малом расстоянии до энергий достаточных для "выбивания" электрона из ковалентной связи; далее уже оба электрона будут ускорены, они выбьют еще электроны и так далее. Получится подобие электронной лавины, приводящей к пробою перехода. Пробою соответствует участок около на ВАХ (см. рис. 1.8.). Этот участок при |U|<|U_np| имеет участок плавного нарастания тока, что позволяет использовать явление пробоя, вернее предпробойное состояние для стабилизации.

ВАХ p-n-перехода получается нелинейной, а главное несимметричной: в одну сторону p-n-переход проводит ток очень хорошо, а в другую - очень плохо.

Рис.1.8. Зависимость тока основных и неосновных носителей через p-n-переход от напряжения на нем, ВАХ p-n-перехода.

Можно дать и простое, наглядное объяснение таких сильных отличий проводимости p-n-перехода в разных направлениях. Рассмотрим рис. 1.9..

При включении p-n-перехода в прямом направлении (см. рис. 1.9. а) дырки в левой области будут двигаться к границе раздела, и электроны из правой области также будут двигаться к границе раздела. На границе они будут рекомбинировать. Ток на всех участках цепи обеспечивается основными носителями, сам p-n-переход обогащен носителями тока. Проводимость p-n-перехода будет большой.

При включении p-n-перехода в обратном направлении (см. рис. 1.9. б) и дырки в левой области будут двигаться от границы раздела, и электроны из правой области также будут двигаться от границы раздела. На границе раздела областей в итоге не останется основных носителей тока. Ток на этой границе будет обеспечиваться очень малым числом неосновных носителей, образовавшихся вблизи тонкого p-n-перехода. Проводимость p-n-перехода будет малой. В итоге ВАХ примет асимметричный вид как на рис. 1.8.

а б

Рис. 1.9.а. Схема движения электронов и дырок при прямом (а) и обратном (б) включении p-n-перехода

Поиск по сайту: