Практикум по микроэлектронике (стр. 37 )

Рис. 22. Зависимость контактной разности pn перехода от уровня легирования областей pn перехода (Si, Т=300 К)

Контактная разность также зависит от температуры: с увеличением температуры она уменьшается. Этот результат также понятен, если вспомнить, что с увеличением температуры увеличивается вероятность межзонного возбуждения электронов, т. е. при высоких температурах начинает доминировать собственная проводимость, а уровень Ферми в собственных полупроводниках лежит вблизи середины запрещенной зоны. Таким образом, поскольку с ростом температуры разность между уровнями Ферми в изолированных p и n областях уменьшается, то, соответственно, должна уменьшаться и контактная разность потенциалов, как это иллюстрирует рис. 23.

Зависимость контактной разности потенциалов pn переходов от температуры часто используют для создания датчиков температуры. По чувствительности эти датчики будут уступать датчикам, использующим температурную зависимость электропроводности полупроводников (термисторы), однако к их достоинствам можно отнести близкую к линейной зависимость контактной разности потенциалов от температуры, что значительно облегчает их калибровку.

Рис. 23. Зависимость контактной разности pn перехода от температуры при разном уровне легирования областей (Si - кривая 1: NdNa=1032 , кривая 2: NdNa=1028)

Тема 11. Граничные условия для концентраций носителей заряда.

Используя формулу (41) для граничных концентраций неосновных носителей заряда, можно написать:

(43)

Эта формула подтверждает тот факт, что высота потенциального барьера в pn переходе определяет вероятность перехода через него носителей заряда и, соответственно, их граничную концентрацию. Если к pn переходу приложить внешнее напряжение, или, как часто говорят, смещение (поскольку внешнее напряжение приводит к смещению энергетических уровней соседних зон друг оносительно друга), то это напряжение оказывается приложенным, в основном, к области пространственного заряда перехода, поскольку ее сопротивление, как правило, на несколько порядков выше сопротивления легированных областей. Поэтому при приложении внешнего напряжения, если создаваемое им в области pn перехода электрическое поле совпадает по направлению с внутренним электрическим полем, высота барьера увеличивается на величину напряжения батареи: Uк + Uб. Такое включение принято называть обратным, при обратном включении внешнее поле препятствует переходу основных носителей через барьер.

Для случая, когда высота барьера в pn переходе определяется суммой контактной разности потенциалов и напряжения внешней батареи, формула (43) примет вид:

(44)

Как видно из (44), приложенное к переходу обратное напряжение приводит к уменьшению концентрации неосновных носителей заряда на границе барьера, поскольку для основных носителей уменьшилась вероятность преодоления барьера за счет тепловой энергии. При этом с увеличением обратного смещения число основных носителей заряда, способных перейти через барьер, стремится к нулю, т. е. нарушается равновесие токов через барьер: через переход могут переходить только неосновные носители, для которых барьер отсутствует.

На рис. 24 показана энергетическая диаграмма pn перехода, включенного в обратном направлении. Как видно из диаграммы, при обратном включении электронные уровни соседних областей получают дополнительное смещение друг относительно друга на величину потенциальной энергии qUб, соответствующей напряжению внешней батареи. При этом уровни Ферми в соседних зонах расходятся на величину qUб в направлении, соответствующем увеличению высоты барьера. Теперь для всей системы единого уровня Ферми нет, это отражает тот факт, что равновесие между ее частями нарушено, и количества переходящих через барьер в противоположных направлениях носителей зарядов не будут равны.

Рис. 24. Энергетическая диаграмма pn перехода, к которому приложено обратное (увеличивающее высоту барьера) напряжение батареи Uб.

Рассмотрим случай, когда полярность внешней батареи изменяется на противоположную (рис. 25). При этом создаваемое внешней батареей электрическое поле уменьшает электрическое поле, создаваемое контактной разностью потенциалов, и высота барьера уменьшается на величину напряжения батареи: Uк - Uб. Соответствующая формула для граничной концентрации неосновных носителей заряда примет вид:

(45)

Формула (45) показывает, что, поскольку при прямом включении высота барьера уменьшается, то для основных носителей вероятность перехода через барьер возрастает (соответственно возрастает их ток).

Формулы (44) и (45) записывают граничные условия для pn перехода с внешним смещением. Их можно объединить, записав:

(46)

где напряжение внешнего источника Uб>0 для прямого включения и Uб<0 для обратного включения, UT = kT/q.

Рис. 25. Энергетическая диаграмма pn перехода, к которому приложено прямое (уменьшающее высоту барьера) напряжение батареи Uб.

Как видно из (46) и рис. 25, прямое смещение в пределе ведет к исчезновению потенциального барьера, поэтому в пределе оно не может быть больше величины контактной разности потенциалов Uк. Действительно, в рассмотренной модели идеального pn перехода сопротивление примыкающих к переходу легированных областей полагалось равным нулю и ток через переход определялся только свойствами барьера, поэтому когда барьер исчезает (его сопротивление стремится к нулю), то ток через переход должен стремиться к бесконечности. Для реальных диодов он будет ограничиваться сопротивлением легированных областей.

Вольтамперная характеристика pn перехода

При расчете статической вольтамперной характеристики pn перехода примем ряд допущений. Будем считать:

концентрации носителей заряда и значения электрических полей по любому сечению образца постоянны, т. е. возможно одномерное рассмотрение задачи;

все приложенное к pn переходу внешнее напряжение падает в области пространственного заряда, и электрическое поле в примыкающих к переходу областях мало, им можно пренебречь;

носители заряда проходят область пространственного заряда без рекомбинации, т. е. мы пренебрегаем генерационно-рекомбинационными процессами в области пространственного заряда, считая, что соответствующие токи значительно меньше токов, создаваемых переносом заряда через барьер;

pn переход резкий, т. е. концентрация доноров и акцепторов на границе изменяется скачком (рис. 21); такие параметры материала как время жизни носителей заряда и их подвижность являются постоянными и не зависят от концентрации инжектированных носителей заряда.

Поскольку постоянство параметров материала соблюдается при небольших уровнях, будем считать, что в рассматриваемой модели соблюдаются условия: ∆p<<pn0, ∆n<<nn0.

Рассмотрим геометрию, когда p область находится слева, а n область справа (рис. 44, 45), ось x направлена слева направо. Расчет выполним для n области, распространив его результаты на p область (заменой соответствующих индексов). За начало координат примем границу области пространственного заряда, т. е. будем рассматривать только ту легированную донорами область, в которой электрическое поле отсутствует.

Для расчета воспользуемся уравнением непрерывности (35):

Для n области n>>p и, соответственно, (см. 35): μ = μp, D = Dp. При принятых допущениях E = 0. Поскольку рассматриваются статические характеристики, то ∂∆p/∂t = 0. Подставив соответствующие значения в уравнение непрерывности, получим:

,(47)

где Lp - диффузионная длина, характеризующая расстояние, на которое могут продиффундировать инжектированные неосновные носители заряда за время жизни. В данном рассмотрении будем считать, что диффузионная длина значительно меньше длины образца и инжектированные через переход носители не достигают второй границы, рекомбинируя по дороге. Будем считать, что к pn переходу приложено внешнее напряжение U, соответственно, граничные условия (46) для решения уравнение (47) имеют вид:

(48)

Решение однородного уравнения второго порядка (47) имеет вид:

(49)

Положив x = 0, из условия (а) в (48) находим:

(50)

Из условия (б) в (48) находим B = 0. Таким образом, решение имеет вид:

(51)

Физический смысл решения (51) очевиден: концентрация неосновных носителей заряда вблизи перехода определяется тем, сколько их вошло из соседней области (она зависит от высоты барьера), и глубина их проникновения за счет диффузии зависит от значения их диффузионной длины, т. е., в конечном счете, их подвижности, времени жизни и температуры.

На рис. 26 показано соответствующее (51) распределение носителей заряда при положительном (кривая 1) и отрицательном (кривая 2) смещении на переходе. При положительном смещении на переходе граничное значение превышает равновесную концентрацию и имеет место инжекция неосновных носителей заряда. При отрицательном смещении (|U| >UT) граничная концентрация примерно равна нулю, т. е. имеет место вытягивание неосновных носителей из приграничной области.