close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

19 вопрос (2)

код для вставкиСкачать
19. ВАХ идеального и реального p-n перехода. Физические причины наблюдаемой зависимости. Тепловой ток. Сопротивление базы. Происхождение токов рекомбинации и генерации.
Вольт-амперная характеристика p-n-перехода - это зависимость тока через p-n-переход от величины приложенного к нему напряжения. Ее рассчитывают исходя из предположения, что электрическое поле вне обедненного слоя отсутствует, т. е. все напряжение приложено к p-n-переходу. Общий ток через p-n-переход определяется суммой четырех слагаемых:
,(1.15)где - электронный ток дрейфа;
- дырочный ток дрейфа;
- электронный ток диффузии;
- дырочный ток диффузии;
- концентрация электронов, инжектированных в p-область;
- концентрация дырок, инжектированных в n-область.
При этом концентрации неосновных носителей и зависят от концентрации примесей и следующим образом:
, ,
где , - собственные концентрации носителей зарядов (без примеси) электронов и дырок соответственно.
Скорость диффузии носителей заряда можно допустить близкой к их скорости дрейфа в слабом электрическом поле при небольших отклонениях от условий равновесия. В этом случае для условий равновесия выполняются следующие равенства:
, .
Тогда выражение (1.15) можно записать в виде:
(1.16) Обратный ток можно выразить следующим образом:
,
где - коэффициент диффузии дырок или электронов; - диффузионная длина дырок или электронов. Так как параметры , , , очень сильно зависят от температуры, обратный ток иначе называют тепловым током.
При прямом напряжении внешнего источника экспоненциальный член в выражении (1.16) быстро возрастает, что приводит к быстрому росту прямого тока, который как уже было отмечено, в основном определяется диффузионной составляющей.
При обратном напряжении внешнего источника экспоненциальный член много меньше единицы и ток p-n-перехода практически равен обратному току , определяемому, в основном, дрейфовой составляющей. Вид этой зависимости представлен на рис. 1.19. Первый квадрант соответствует участку прямой ветви вольт-амперной характеристики, а третий квадрант - обратной ветви. При увеличении прямого напряжения ток p-n-перехода в прямом направлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры. Если количество выделяемого при этом тепла будет превышать количество тепла, отводимого от полупроводникового кристалла либо естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n-перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого необходимо использовать ограничительное сопротивление последовательно подключенное с p-n-переходом.
Рис. 1.19. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода
При увеличении обратного напряжения, приложенного к p-n-переходу обратный ток изменяется незначительно, так как дрейфовая составляющая тока, являющаяся превалирующей при обратном включении, зависит в основном от температуры кристалла, а увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества. Такое положение будет сохраняться до величины обратного напряжения, при котором начинается интенсивный рост обратного тока - так называемый пробой p-n-перехода.
2.2. P-n-переход при подаче внешнего напряжения
Рассчитаем прямой и обратный токи p-n-перехода, исходя из основных процессов в базе диода. Будем по-прежнему считать, что концентрация донорной примеси в эмиттере ND = nn значительно превышает концентрацию акцепторной примеси в базе NA = pp. В этом случае и при прямом и при обратном напряжении можно учитывать только электронную составляющую тока i = in + ip  in .
В самом деле, при прямом напряжении прямой ток определяется потоком основных носителей заряда, а т.к. nn " pp , то дырочной составляющей прямого тока можно пренебречь. При обратном напряжении обратный ток определяется потоком неосновных носителей заряда; поскольку
,
то и в этом случае дырочной составляющей обратного тока можно пренебречь.
Рассматривая процессы в p-n-переходе при подаче внешнего напряжения будем так же полагать, что сопротивление обедненной области, где подвижных носителей заряда практически нет, значительно больше, чем сопротивление областей n- и p-типа вне перехода. Это допущение позволит считать, что все внешнее напряжение падает на p-n-переходе и контактная разность потенциалов соответственно изменяется до величины K0±U, где знак "-" соответствует падению потенциального барьера вследствие подачи прямого напряжения на p-n-переход, а знак "+" - при подаче обратного напряжения(см. рис.2.2,а).
Распределение потенциала вдоль структуры p-n-перехода показано на рис.2.2,б.
При прямом напряжении (U >0) уменьшение потенциального барьера приводит к преобладанию потока электронов из эмиттера в базу (ПОНЗ) над потоком электронов из базы в эмиттер (ПННЗ). При этом электроныинжектируются в базу и концентрация электронов на границе xp возрастает до величины
, которая уже при U=0,26 В ( =0,026В)
значительно превышает равновесную концентрацию в базе. Таким образом, инжекция электронов в базу приводит к появлению неравновесных носителей в базе n(xp) = n (xp) - np . Вследствие возникшего градиента концентрации в базе начинается процесс диффузии электронов от границы перехода xp в глубину p-базы. По мере движения неравновесная концентрация уменьшается за счет рекомбинации.
Таким образом, три процесса определяют распределение неравновесной концентрации в базе p-n-перехода при прямом напряжении:
- инжекция - вызывает увеличение граничной концентрации n(xp), то есть приводит к появлению неравновесных носителей заряда в базе;
- диффузия - является причиной движения электронов (ННЗ) через базу;
- рекомбинация - приводит к уменьшению неравновесной концентрации в базе вдали от p-n-перехода.
Распределение концентрации электронов в базе показано на рис. 2.2,в, оно описывается уравнением (1.34)
,
где n(x=xp=0) - граничная концентрация , Ln -диффузионная длина электронов в базе.
Прямой электронный ток через p-n-переход может быть определен в любом сечении двухэлектродной структуры, однако удобнее это сделать в сечении xp, где задана граничная концентрация .электронов
По своей природе электронный ток в сечении xp является диффузионным и может быть рассчитан по формуле (1.44)
,
где S - площадь p-n-перехода, q - заряд электрона, Dn - коэффициент диффузии электронов.
С учетом прямой ток p-n- перехода определяется выражением:
. (2.5)
Обозначим , эта величина имеет размерность тока, определяется концентрацией неосновных носителей заряда в базе np и называется тепловым током i0.
Проведя аналогичные рассуждения для обратного смещения, отметим следующее: p-n-переход при обратном смещении экстрагирует (выводит) электроны из базы. Граничная концентрация уменьшается по сравнению с равновесной и определяется выражением: ,
которое отличается от соответствующего выражения при прямом напряжении полярностью напряжения U в экспоненте.
Три процесса определяют обратный ток p-n-перехода:
- экстракция электронов из базы;
- диффузия их из глубины базы к границе перехода xp;
- генерация пар электрон - дырка в областях, где n(x)<np.
Распределение потенциала (x) и концентрации n(x) для обратного напряжения приведены на рис. 2.2 г,д,е - правый столбец.
Вывод выражения для электронной составляющей обратного тока через p-n-переход полностью аналогичен выводу прямого тока.
Выражение для электронной составляющей обратного тока отличается от (2.5) только знаком внешнего напряжения и имеет вид :
.
Таким образом, ВАХ p-n-перехода описывается выражением ,
где i0 - тепловой ток p-n-перехода, с учетом дырочной составляющей тепловой ток может быть записан в виде:
. (2.6)
Тепловой ток p-n-перехода определяется потоками ННЗ и зависит от концентрации примеси ( так как np = ni2/NA; pn = ni2/ND ) и температуры (так как: ni2~ exp T2 ).
Увеличение температуры p-n- перехода приводит к увеличению теплового тока, а, следовательно, к возрастанию прямого и обратного токов.
Увеличение концентрации легирующей примеси приводит к уменьшению теплового тока, а, следовательно, к уменьшению прямого и обратного токов p-n-перехода.
На рис. 2.3 построена ВАХ идеального p-n-перехода, полученного при принятых нами допущениях. При построении ВАХ примем T= 300К, тогда kT/q = 0,026В. Оценим прямой и обратный токи p-n перехода при подаче внешнего напряжения U=±0,26 В. При U=+0,26 В (прямое напряжение) (2.5) приводится к виду:
i = i0• (exp 10 - 1)  i0·exp 10 >> i0
Таким образом, уже при U = 0,26 В величина прямого тока значительно превышает тепловой ток p-n перехода.
При U = - 0,26 В (обратное напряжение)
i = i0 · (exp-10 - 1)  - i0.
Таким образом, при обратном напряжении через p-n переход протекает тепловой ток i0 , значение которого не зависит от величины приложенного обратного напряжения.
ВАХ p-n-перехода представляет собой нелинейную зависимость между током и напряжением. В общем случае к p-n-переходу может быть приложено как постоянное напряжение, определяющее рабочую точку на характеристике, так и переменное напряжение, амплитуда которого определяет перемещение рабочей точки по характеристике. Если амплитуда переменного напряжения мала, перемещение рабочей точки не выходит за пределы малого участка характеристики и его можно заменить прямой линией. Тогда между малыми амплитудами тока и напряжения (или между малыми приращениями тока и напряжения i и u) существует линейная связь. В этом случае p-n-переход на переменном токе характеризуют дифференциальным сопротивлением rpn:
.
Аналитическое выражение rpn получим, дифференцируя (2.5)
При прямом напряжении rpn мало и составляет единицы - сотни ом, а при обратном напряжении - велико и составляет сотни и тысячи килоом.
Дифференциальное сопротивление можно определить графически по характеристике. (См. рис. 2.3, где указаны u и i).
2.3. ВАХ реального p-n-перехода
На рис.2.4 приведена вольтамперная характеристика реального p-n- перехода, здесь же пунктиром показана характеристика идеального p-n-перехода. Рассмотрим основные причины, приводящие к отличию характеристик.
При прямом напряжении на p-n- переходе (область 1 ) отклонение реальной характеристики от идеальной связано с конечным ( не нулевым) сопротивлением слаболегированной области базы (rБ'). Часть внешнего напряжения U падает на объемном сопротивлении базы rБ', поэтому напряжение на p-n-переходе уменьшается до величины Upn=U-i rБ'. С учетом сопротивления базы, прямой ток реального p-n-перехода описывается уравнением:
. (2.7)
Таким образом, при одинаковой величине поданного напряжения ток реального p-n-перехода будет меньше, чем идеального.
При обратном напряжении обратный ток реального перехода оказывается больше чем ток идеального перехода, и, кроме того, величина обратного тока зависит от обратного напряжения (область 2 на рис. 2.4). Причиной этого отличия является то, что при выводе выражения (2.5) нами не учитывалась тепловая генерация в области объемного заряда. Вследствие малой концентрации носителей заряда в p-n-переходе скорость генерации пар носителей зарядов в этой области преобладает над скоростью рекомбинации; любая пара носителей заряда, генерируемая в этой области, разделяется полем перехода, а , следовательно, к тепловому току добавляется генерационная составляющая.
При обратном напряжении обратный ток реального перехода оказывается больше, чем ток идеального перехода, а, кроме того, величина обратного тока зависит от обратного напряжения (область 2 на рис. 2.4). Причиной этого отличия является то, что при выводе выражения (2.5) нами не учитывалась тепловая генерация в области объемного заряда. Вследствие малой концентрации носителей заряда в p-n-переходе, скорость генерации пар носителей заряда в этой области преобладает над скоростью рекомбинации; любая пара носителей заряда, генерируемая в этой области, разделяется полем перехода, а следовательно, к тепловому току добавляется генерационная составляющая ( Рис. 2.5).
Величина тока генерации пропорциональна ширине p-n- перехода, а следовательно, зависит от приложенного обратного напряжения. Для германиевых p-n-переходов обе составляющие обратного тока одного порядка; для кремниевых p-n-переходов ток генерации на несколько порядков может превышать тепловой ток.
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 ( область 4, рис. 2.4) наступает при условии, когда выделяемая в p-n-переходе мощность РВЫД. 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.
Чтобы вывести зависимость величины тока через p - n-переход от внешнего смещающего напряжения V, мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи. В дальнейшем будем обозначать символом J плотность потока частиц, а символом j - плотность электрического тока; тогда je = −eJe, jh = eJh.
Вольт-амперная характеристикаp - n-перехода. Is - ток насыщения, Uпр - напряжение пробоя.
При V = 0 как Je, так и Jh обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При V ≠ 0 баланс нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток через обеднённый слой. Он включает следующие две компоненты:
1. Ток генерации, то есть дырочный ток, текущий из n-области в p-область перехода. Как видно из названия, этот ток обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно в n-области обеднённого слоя при тепловом возбуждении электронов с уровней валентной зоны. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) в n-области чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в переносе тока через переход. Это происходит потому, что каждая дырка, попадающая в обеднённый слой, тут же перебрасывается в p-область под действием сильного электрического поля, которое имеется внутри слоя. В результате величина возникающего тока генерации не зависит от значения изменения потенциала в обеднённом слое, поскольку любая дырка, оказавшаяся в слое, перебрасывается из n-области в p-область.
2. Ток рекомбинации, то есть дырочный ток, текущий из p-области в n-область. Электрическое поле в обеднённом слое препятствует этому току, и только те дырки, которые попадают на границу обеднённого слоя, имея достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер, вносят вклад в ток рекомбинации. Число таких дырок пропорционально e−eΔФ/kT и, следовательно,
Jrech∼e−e[(Δϕ)0−V]kBT
В отличие от тока генерации ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения V. Мы можем сравнить величины этих двух токов, заметив, что при V = 0 суммарный ток через переход отсутствует:Jhrec(V = 0) = Jhgen Из этого следует, что Jhrec = JhgeneeV/kT. Полный дырочный ток, текущий из p-области в n-область, представляет собой разность между токами рекомбинации и генерации:
Jh = Jhrec − Jhgen = Jhgen(eeV/kT − 1).
Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам. Поскольку электроны имеют противоположный заряд, электрические токи генерации и рекомбинации электронов совпадают по направлению с электрическими токами генерации и рекомбинации дырок. Поэтому полная плотность электрического тока есть j = e(Jhgen + Jegen)(eeV/kT − 1).
Документ
Категория
Разное
Просмотров
220
Размер файла
169 Кб
Теги
вопрос
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа