Неравновесное состояние полупроводника

Неравновесное состояние полупроводника возникает при каком-либо внешнем энергетическом воздействии, в результате которого концентрации подвижных носителей заряда становятся отличными от равновесных. Таким воздействием может быть облучение полупроводника светом, в результате чего появляются дополнительные (избыточные) носители заряда. В полупроводниковых приборах неравновесное состояние полупроводника возникает обычно при введении в него (или выведении из него) неосновных носителей заряда из внешней электрической цепи через электронно-дырочный переход.

Процесс введения неосновных носителей заряда называется инжекцией, а процесс выведения - экстракцией.

1.5 P-nпереход

Если в кристалл полупроводника с одной стороны ввести примесь, превращающую его в полупроводник типа «n», а с другой, – в полупроводник типа «p», то в кристалле появляется p-n переход. Таким образом, p-n переход это граница двух слоев полупроводника с разным типом проводимости.

Обычно p-n переходы бывают несимметричные, т.е. концентрация примесей в слоях отличается на несколько порядков. В основе всех замечательных свойств полупроводниковых приборов лежат процессы на p-n переходе.

Для пояснения процессов представим, что p-n переход создается путем соединения двух кристаллов с разным типом проводимости. При соединении свободные электроны и дырки диффундируют в соседние слои. На p-n переходе они встречаются и рекомбинируют. Ионы примесей, зажатые в кристаллической решетке, лишаются зарядов, компенсирующих их поле. На переходе появляется нескомпенсированный объемный заряд ионов, создающих потенциальный барьер (рис. 1.6, а). Этот потенциальный барьер препятствует дальнейшей диффузии. На p-n переходе устанавливается динамическое равновесие, наиболее быстрые электроны и дырки диффундируют в соседние слои, а навстречу им под действием электрического поля дрейфуют носители зарядов противоположного знака. На рис. 1.6, а условно показано, что концентрация примесей в слое p меньше, чем в слое n.

Приложение внешнего напряжения к p-n переходу называется смещением p-n перехода. Если внешнее напряжение создает поле встречное полю потенциального барьера, то смещение называется прямым; если полярность внешнего напряжения противоположна, то смещение называется обратным (см. рис. 1.6, б, в).

При прямом смещении основные носители преодолевают потенциальный барьер и переходят в соседний слой. Переход основных носителей заряда в соседний слой, где они становятся неосновными, называется инжекцией. При прямом смещении через p-n переход протекает прямой ток. Зависимость тока через p-n переход от приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой электронно-дырочного перехода. На рис. 1.7 в первом квадранте показана вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n перехода при прямом смещении. На участке ОА преодолевается потенциальный барьер и ток мал, на участке АВ ток резко увеличивается из-за перехода в соседний слой большого количества носителей заряда и резкого уменьшения его сопротивления.

При обратном смещении через p-n переход протекает обратный ток. На рис. 1.7 в третьем квадранте показана вольтамперная характеристика p-n перехода при обратном смещении. Обратный ток обусловлен только неосновными носителями, поэтому он мал и уже при небольшом напряжении быстро достигает значения насыщения (участок ОС) и далее остается постоянным (участок СD).

При достижении высокого напряжения в точке D ток резко возрастает, происходит лавинный пробой. Лавинный пробой возникает, когда на длине свободного пробега электрон приобретает энергию достаточную для ионизации атомов (участок DF). Лавинный пробой обратим, т.е. после снятия обратного смещения p-n переход не разрушается.

В точке F выделяется большая мощность и может произойти тепловой пробой (участок FE). Он необратим и приводит к разрушению p-n перехода.

При достаточно больших обратных напряжениях (область 3 на рис. 2.4) в p-n-переходе может произойти пробой. Пробоем называется неограниченное увеличение тока при постоянном или даже уменьшающемся напряжении на p-n-переходе.

Различают три вида пробоя: лавинный, туннельный, тепловой.

Лавинный пробой (область 3, рис. 2.4) связан с возникновением ударной ионизации атомов полупроводника в области объемного заряда при высокой напряженности электрического поля. При больших обратных напряжениях процесс ударной ионизации лавинообразно нарастает, что приводит к увеличению обратного тока.

Туннельный пробой связан с туннельными переходами электронов сквозь узкий и высокий потенциальный барьер. Такой пробой возникает в p-n-переходах на базе сильнолегированных областей n- и p-типа.

Лавинный и туннельный пробои обратимы, то есть при включении в цепь p-n-перехода ограничивающего ток сопротивления эти виды пробоя не приводят к разрушению p-n-перехода.

Тепловой пробой (участок FE) наступает при условии, когда выделяемая в p-n-переходе мощность Р_ВЫД. оказывается больше, чем отводимая. В этом случае температура p-n-перехода лавинообразно возрастает, что, в конечном счете, приводит к необратимому разрушению p-n-перехода. Чтобы предотвратить тепловой пробой, необходимо улучшать теплоотвод от p-n-перехода.

При повышении температуры различные участки ВАХ изменяются по-разному (см. рис. 1.7).

При прямом смещении с ростом температуры число основных носителей, определяющих прямой ток, изменяется незначительно, так как оно определяется числом атомов примеси и мало увеличивается за счет термогенерации пар электрон – дырка. Поэтому падение напряжения на прямо смещенном переходе при повышении температуры уменьшается незначительно.

Особенно сильно меняется обратный ток, так как он создается неосновными носителями зарядов, количество которых определяется термогенерацией. Он удваивается при росте температуры на 7...10 °С.

С ростом температуры уменьшается длина свободного пробега электронов и, чтобы электроны на меньшей длине приобрели энергию достаточную для ионизации, необходимо приложить большее напряжение. Поэтому при увеличении температуры напряжение лавинного пробоя растет.

Для количественной оценки влияния температуры на ВАХ p-n-перехода используют параметр:

Температурный коэффициент напряжения (ТКН) показывает, на сколько изменится прямое напряжение на p-n-переходе (DU) при заданном изменении температуры DТ при постоянном токе через p-n-переход:

.

Для германиевых p-n-переходов ТКН» -2 мВ/град, для кремниевых p-n-переходов ТКН» -3 мВ/град.

Рассмотрим переходные процессы, происходящие при прямом и обратном смещении p-n перехода.

При приложении прямого смещения происходит процесс накопления заряда. На рис. 1.8, а видно, что в начале прохождения прямого тока падение напряжения на p-n переходе велико, а затем оно уменьшается. Время установления прямого сопротивления – это время спада напряжения от максимального значения до заданной величины (например, до1,2 установившегося значения).

При приложении обратного смещения происходит процесс рассасывания заряда. На рис. 1.8, б видно, что при приложении обратного напряжения к проводящему p-n переходу вначале протекает большой обратный ток, который, по мере рассасывания накопленных ранее зарядов, уменьшается.

Время установления обратного сопротивления (время восстановления вентильной прочности) – это время от начала нарастания обратного тока до спада его до заданной величины (например, до пятикратного установившегося значения).

P-n переход обладает емкостью. На рис.1.6, в видно, что между двумя слоями, содержащими свободные носители зарядов, находится слой, в котором нет свободных носителей зарядов. Таким образом, p-n переход представляет собой конденсатор, в котором толщина непроводящего слоя, а, следовательно, и его емкость, зависят от величины приложенного напряжения и его знака. При увеличении отрицательного смещения емкость p-n перехода уменьшается.

p-n переход ведет себя как своеобразный плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область пространственного заряда, обедненная носителями заряда и имеющая большое сопротивление.

Такая емкость p-n-перехода называется барьерной. Барьерная емкость C_Б может быть рассчитана по формуле

,где S - площадь p-n-перехода; e,·e₀ - относительная (e) и абсолютная (e₀) диэлектрические проницаемости; D - ширина p-n-перехода.

Особенностью барьерной емкости является ее зависимость от внешнего приложенного напряжения.

Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения называется вольтфарадной характеристикой (см. рис. 2.6). В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная емкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением r_pn.

Кроме барьерной емкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной емкостью. Диффузионная емкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы.

Контрольные вопросы.

1. В чем отличие проводников, полупроводников и диэлектриков?

2. В чем отличие собственного и примесного полупроводника?

3. В чем состоит преимущество примесных полупроводников по сравнению с проводниками (металлами и их сплавами), обеспечившее развитие полупроводниковой техники?

4. Назовите виды носителей зарядов.

5. Что такое p-n переход?

6. Какие бывают p-n переходы?

7. Что такое смещение p-n перехода?

8. Объясните вид каждого участка ВАХ p-n перехода.

9. Что такое лавинный пробой?

10. Поясните, как влияет повышение температуры на каждый участок ВАХ p-n перехода.

11. Поясните переходные процессы при смещении p-n перехода.

Поиск по сайту: