Основи електроніки (стр. 4 )

В напівпровіднику р-типу(зліва) концентрація акцепторних домішок значно вище, чим концентрація донорних домішок в напівпровіднику n-типу (NA>>NД), внаслідок чого область p більш низькоомна, чим область n (для прикладу здебільшого NA=1088cм-3, NД=1015см-3). Низькоомна область р-типу називається емітером, а високоомна n-область базою. Через різницю концентрацій частина дірок з р-шару біля границі в результаті дифузії перейде в n-область і рекомбінує там з електронами, а частина електронів з n-шару перейде в р-область. Через це в р-області появиться шар негативного просторового заряду, утворенний нескомпенсованими від¢ємно зарядженими атомами акцепторів. Його густина дорівнює –qNA. Аналогічно в приграничній області n-типу появляється шар позитивного просторового заряду, утвореного нескомпенсованими позитивно зарядженими атомами донорів. Його густина дорівнює qNД.

В результаті в області рn-переходу встановлюється рівновага: утворюється подвійний шар просторового заряду, який своїм електричним полем Е перешкоджає подальшому переміщенню основних носіїв через рn-перехід. Розподіл потенціалу в області рn-переходу показано на рисунку 2.9,б. Похідна Е=dUk/dx дає значення напруженості електричного поля в переході (Uk - контактна різниця потенціалів на границях pn-переходу). Значення контактної різниці потенціалів визначається розташуванням рівнів Фермі в областях n i p .

До цих пір в основному розглядався статичний режим роботи рn-переходу. В динаміці його робота характеризується кінцевим часом перемикання з відкритого стану в закритий і навпаки.

Наявність електричних зарядів по обидві сторони від границі обумовлює ємністні властивості рn-переходу. Ємність рn-переходу розділяють на дві складові: бар¢єрну, яка відображає перерозподіл зарядів в pn-переході, та дифузійну, яка відображає перерозподіл зарядів біля pn-переходу. При прямому зміщенні переходу в основному появляється дифузійна ємність. Вона дорівнює:

Сдиф=Inp ∙τ/φТ, (2.8)

де τ - час існування неосновних носіїв заряду (10-9¸10-5с), φТ - температурний потенціал. При температурі 300ºК φТ ≈ 25.5 мВ. Наприклад, при Inp=1мА і =1мкс Сдиф=1∙10-3∙1∙10-6/(25.5∙10-3)=39.216 нФ. Дифузійна ємність відображає фізичний процес зміни концентрації рухомих носіїв заряду, накопичених в областях pn-переходу. Походження дифузійної ємності зв¢язано із зміною нового заряду інжектованих рn-переходом неосновних носіїв заряду при проходженні прямого струму. Дифузійна ємність враховується при закриванні діоду.

Бар¢єрна ємність пропорційна відносній діелектричній проникності напівпровідника, площині його обкладинок і обернено пропорційна товщині рn-переходу.

Сбар= , (2.9)

де S, l0 –площа і товщина переходу при U=0, U - зворотна напруга, прикладена до pn- переходу, Uk - контактна різниця потенціалів.

В діапазоні робочих напруг рn-переходу Сбар змінюється в кілька раз і її значення складають від десятих часток пікофаради до десятків пікофарад. Вольтфарадна характеристика рn-переходу Сбар=¦(u) показана на рис. 2.9. Бар¢єрна ємність враховується при перемиканні діода з закритого стану у відкритий. Еквівалентна схема рn-переходу, яка відображує його роботу на малому сигналі, показана на рисунку 2.10.

Рисунок 2.9 - Вольтфарадна характеристика рn-переходу

Рисунок 2.10 - Еквівалентна схема рn-переходу на малому сигналі

На цій схемі rq - диференціальний опір рn-переходу,

rq=duq/dIq=mφT/Iq , (2.10)

де rб - опір базової ділянки напівпровідника( від часток до одиниць ома), Сб і Сдиф - бар¢єрна і дифузійна ємності.

При зворотній напрузі диференціальний опір стає дуже великим (до сотен МОм), а Сдиф стає рівною нулю.

2.4 Властивості pn-переходу при наявності зовнішньої напруги

При порушенні рівноваги електронно–діркового переходу зовнішнім електричним полем через нього починає протікати струм. Характер струмопроходження і величина струму виявляються різними в залежності від полярності доданої напруги.

Спочатку розглянемо випадок, коли зовнішня напруга протилежна по знаку контактній різниці потенціалів (рис. 2.11, а). В цьому випадку джерело включається так, що поле, яке створене зовнішньою напругою в pn-переході, направлено назустріч власному полю pn-переходу. Таке включення називають прямим. Воно призводить до зниження висоти потенційного бар'єру. Основні носії заряду одержують можливість наблизитися до контакту, скомпенсувавши заряд домішок. Тому ширина pn-переходу зменшиться. З рис. 2.11, б видно, що для цього випадку рівень Фермі в n-області піднімається, а в p-області опускається. Частина основних носіїв, що мають найбільші значення енергії, зможе подолати порівняно вузький і невисокий потенціальний бар'єр і перейти через границю, що розділяє напівпровідники n- і p- типу. Це приводить до порушення рівноваги між дрейфовим і дифузійним струмами. Дифузійна складова струму стає більше дрейфовою, і результуючий прямий струм через перехід стає відмінним від нуля:

(2.11)

По мірі збільшення зовнішньої прямої напруги прямий струм через перехід може зрости до надто великих значень, бо він зумовлений головним чином рухом основних носіїв, концентрація яких в обох областях велика.

Рисунок 2.11- Пряме включення pn- переходу: а- схема підключення джерела; б- енергетична діаграма

Неважко помітити, що носії заряду, які подолали потенціальний бар'єр, потрапляють в область напівпровідника, для якої вони є неосновними.

Процес введення носіїв заряду через електронно–дірковий перехід при зниженні висоти потенційного бар'єру в область напівпровідника, де ці носії заряду є неосновними, називається інжекцією (від англійського слова inject – впорскувати, вводити).

Інжектовані носії дифундують вглиб відповідної області напівпровідника, рекомбінуючи з основними носіями цієї області. Так, по мірі проникнення дірок з p-області в n-область вони рекомбінують з електронами, в результаті чого дифузійний дірковий струм в n-області поступово спадає з нуля. Однак це зовсім не означає, що струм в колі припиняється. Під дією зовнішнього електричного поля електрони, які надходять від джерела в n-область, просуваються до переходу, створюючи електронний струм. По мірі наближення до переходу цей струм внаслідок рекомбінації з дірками падає до нуля. Сумарний струм в n- області в усіх місцях напівпровідника n-типу залишається незмінним (рис. 2.12). Водночас з інжекцією дірок в n-область відбувається інжекція електронів в p-область. Процеси, які при цьому відбуваються, аналогічні.

Рисунок 2.12 - Розподіл струмів, зумовлених інжекцією дірок

Розглянемо тепер властивості pn-переходу, до якого підведена обернена зовнішня напруга (рис. 2.13, а). При цьому електричне поле, яке створюється джерелом, співпадає з полем pn-переходу. Потенційний бар'єр між p- і n- областями зростає. Він тепер стає рівним . Кількість основних носіїв, здатних подолати дію результуючого поля, зменшується. Відповідно зменшується і струм дифузії основних носіїв заряду. Під дією електричного поля, створюваного зовнішнім джерелом, основні носії будуть відтягуватися від приконтактних шарів в глиб напівпровідника. В результаті ширина pn- переходу збільшується (рис. 2.13, б).

Для неосновних носіїв (дірок в n-області і електронів в p-області) потенційний бар'єр в електронно-дірковому переході буде відсутній і вони будуть втягуватися полем в області pn-переходу. Це явище називається екстракцією.

Рисунок 2.13- Зворотне включення pn-переходу

При оберненому включенні переважну роль грає дрейфовий струм, що має невелику величину, бо він створюється рухом неосновних носіїв. Цей струм отримав назву зворотного струму:

(2.12)

Величина оберненого струму практично не залежить від зовнішньої оберненої напруги. Це можна пояснити тим, що в одиницю часу кількість пар електрон – дірка, що генеруються при незмінній температурі, залишається незмінною.

2.5 Вольтамперна характеристика pn-переходу

Властивості електронно – діркового переходу наочно ілюструються його вольтамперною характеристикою (рис. 2.14, а), що показує залежність струму через pn-перехід від величини і полярності прикладеної напруги. Аналітичним виразом вольтамперної характеристики pn- переходу є формула

(2.13)

де - обернений струм насичення pn-переходу, що визначається фізичними властивостями напівпровідникового матеріалу; - напруга, яка прикладена до pn-переходу; е - основа натуральних логарифмів; q - заряд електрона; - постійна Больцмана; - абсолютна температура pn- переходу.

Формула (2.13) придатна як для прямих, так і обернених напруг (пряма напруга позитивна, обернена - негативна). З формули (2.13) слідує, що при позитивних (прямих) напругах струм через pn- перехід з збільшенням напруги різко зростає. При негативних (обернених) напругах показник степені числа е - негативний. Тому при збільшенні оберненої напруги величина стає значно менше одиниці і нею можна зневажити. При цьому, тобто обернений струм дорівнює струму насичення і в певних межах залишається величиною практично постійною. Звичайно струм має величину порядка мікроампер.

Подальше збільшення оберненої напруги призводить до пробою pn-переходу, при якому обернений струм різко збільшується.

Розрізняють два різновиди пробою: електричний (зворотний) і тепловий (необоротний).

Електричний пробій відбувається в результаті внутрішньої електростатичної емісії (зінеровський пробій) і під дією ударної іонізації атомів напівпровідника (лавиний пробій).

Внутрішня електростатична емісія в напівпровідниках аналогічна електростатичній емісії електронів з металу. Сутність цього явища полягає в тому, що під дією сильного електричного поля електрони можуть визволитися з ковалентних зв'язків і отримати енергію, достатню для подолання високого потенційного бар'єру в області pn-переходу. Рухаючись з більшою швидкістю на дільниці pn-переходу, електрони зштовхуються з нейтральними атомами і іонізують їх. В результаті такої ударної іонізації з'являються нові вільні електрони і дірки, що, в свою чергу, розганяються полем і створюють всезростаючу кількість носіїв струму. Описаний процес носить лавиноподібний характер і призводить до значного збільшення оберненого струму через pn-перехід. Таким чином, надмірно збільшувати обернену напругу не можна. Якщо вона перевищить максимально допустиму для даного pn-переходу величину (на рис. 2.14, а), то дільниця pn-переходу проб'ється, і pn-перехід втратить властивість односторонньої провідності (тепловий пробій).

Тепловий пробій pn-переходу відбувається внаслідок виривання валентних електронів з зв'язків в атомах при теплових коливаннях кристалічної гратки. Теплова генерація пар електрон-дірка призводить до збільшення концентрації неосновних носіїв заряду і до зростання оберненого струму. Збільшення струму, в свою чергу, призводить до подальшого підвищення температури. Процес зростає лавиноподібно.

Електричний і тепловий пробої pn-переходу в багатьох випадках відбуваються одночасно. При надмірному розігріві переходу, коли відбувається зміна структури кристалу, перехід необоротно виходить з ладу. Якщо же при виникненні пробою струм через pn-перехід обмежений опором зовнішнього кола і потужність, що виділяється на переході, невелика, то пробій оборотний. В цьому випадку можна управляти оберненим струмом шляхом зміни зовнішньої напруги, яка підводиться до переходу.

Іпр R

Ізвmax

Uзв Uпр

0 Uзв 0 Uпр

Uзвmax б)

Ізв а)

Рисунок 2.14-Характеристика pn-переходу: а-вольтамперна; б-опору

Аналіз вольтамперної характеристики pn-переходу дозволяє розглядати його як нелінійний елемент, опір якого змінюється в залежності від величини і полярності доданої напруги (рис. 2.14, б). При збільшенні прямої напруги опір pn-переходу зменшується. З зміною полярності і величини прикладеної напруги опір pn-переходу різко зростає. Отже, лінійна залежність між напругою і струмом (закон Ома) для pn-переходів не дотримується. Нелінійні властивості pn-переходів лежать в основі роботи напівпровідникових приладів, що використовуються для випрямлення змінного струму, перетворення частоти, обмеження амплітуд тощо.

При зворотному вмиканні рn-переходу його опір дуже великий і через нього протікає тільки невеликий зворотній струм I0.

В точці 2 в. а.х. рn-переходу (рис. 2.14) наступає пробій рn-переходу. Аналіз в. а.х. дозволяє зробити висновок про нелінійність властивостей рn-переходу, і його головну властивість –односторонню провідність.

Розрізняють електричний пробій (зворотний) і тепловий (незворотний).

Електричний пробій буває двох типів: тунельний і лавинний.

Тунельний пробій виникає за рахунок ефекту, при якому довжина вільного перебігу носіїв заряду стає більшою ширини рn-переходу і ударна іонізація неможлива.

Лавинний пробій виникає в результаті внутрішньої електричної емісії електронів під дією ударної іонізації атомів напівпровідника.

Електричний пробій поворотній, так як рn-перехід може знаходитися в стані пробою значне число раз, зберігаючи при цьому свої властивості.

Тепловий пробій виникає в результаті перегріву рn-переходу. Провідність переходу різко зростає і він виходить з ладу, тобто тепловий пробій є незворотним.

2.6 Температурні властивості pn-переходу

Властивості pn-переходу істотно залежать від температури зовнішнього середовища. При підвищенні температури зростає генерація електронів і дірок, тобто зростає концентрація неосновних носіїв заряду і власна провідність напівпровідника. Це можна побачити на в. а.х. германієвого перехода, знятих при різних температурах (рис. 2.15). Як видно з рисунка, при підвищенні температури прямий і зворотний струми зростають, а pn-перехід втрачає свою основну властивість - односторонню провідність.

Залежність від температури зворотної гілки в. а.х. визначається температурними змінами струму насичення. Вінт є пропорціональним зрівноваженій концентрації неосновних носіїв заряду, яка із збільшенням температури зростає по експоненціальному закону. По цьому ж закону з ростом температури збільшується і струм насичення:

, (2.14)

де І0(Т) і І0(Т0) - зворотні струми насичення при заданій Т і кімнатній Т0 температурах; ΔТ=Т-Т0 - перепад температур; α - коефіцієнт, що залежить від властивостей напівпровідника (для германію α =0.05-0.09 К-1, для кремнію α =0.07-0.13 К-1).

Іпр

Uзв Uпр

200

500

Ізв

Рисунок 2.15-Температурна залежність в. а.х. pn-перехода

Для германієвих і кремнієвих pn-переходів зворотний струм зростає приблизно в рази при підвищенні темперетури на кожних 10˚ С.

Прямий струм pn-перехода при підвищенні температури зростає не так сильно, як зворотний струм. Це пояснюється тим, що прямий струм виникає в основному за рахунок домішкової провідності. Але концентрація домішок від температури практично не залежить. Температурна залежність прямої гілки вольтамперної характеристики визначається відповідно з формулою (2.15) змінами струму І0 і показника експоненти.