Как изменится высота потенциального барьера р n перехода при приложении к нему прямого напряжения
Принцип действия полупроводниковых приборов объясняется свойствами так называемого электронно-дырочного перехода (p-n - перехода) - зоной раздела областей полупроводника с разным механизмами проводимости.
Электронно-дырочный переход - это область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). Поскольку в р-области электронно-дырочного перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область.
Для создания в исходном полупроводнике (обычно 4-валентном германии или кремнии) проводимости n- или p-типа в него добавляют атомы 5-валентной или 3-валентной примесей соответственно (фосфор, мышьяк или алюминий, индий и др.)
Атомы 5-валентной примеси (доноры) легко отдают один электрон в зону проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не занятых в образовании ковалентных связей; проводник приобретает проводимость n-типа. Введение же 3-валентной примеси (акцепторов) приводит к тому, что последняя, отбирая по одному электрону от атомов полупроводника для создания недостающей ковалентной связи, сообщает ему проводимость p-типа, так как образующиеся при этом дырки (вакантные энергетические уровни в валентной зоне) ведут себя в электрическом или магнитном полях как носители положительных зарядов. Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.
Если полупроводники с разными типами проводимости привести в соприкосновение (контакт создается технологическим путем, но не механическим), то электроны в полупроводнике n-типа получают возможность занять свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. Произойдет рекомбинация электронов с дырками вблизи границы разнотипных полупроводников.
Этот процесс подобен диффузии свободных электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и диффузии дырок в противоположном направлении. В результате ухода основных носителей заряда на границе разнотипных полупроводников создается обедненный подвижными носителями слой, в котором в n-области будут находиться положительные ионы донорных атомов; а в p- области - отрицательные ионы акцепторных атомов. Этот обедненный подвижными носителями слой протяженностью в доли микрона и является электронно-дырочным переходом.
Потенциальный барьер в p-n переходе.
Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в зависимости от полярности этого напряжения р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.
Свойства p-n перехода при прямом включении.
Свойства p-n перехода при обратном включении.
Итак, с определенной долей приближения можно считать, что электрический ток через р-n-переход протекает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.
Однако, кроме зависимости возникшего тока от внешней энергии, например, источника питания или фотонов света, которая используется в ряде полупроводниковых приборов, существует термогенерация. При этом концентрация собственных носителей заряда резко уменьшается, следовательно, и IОБР тоже.Таким образом, если переход подвергнуть воздействию внешней энергии, то появляется пара свободных зарядов: электрон – дырка. Любой носитель заряда, рожденный в области объемного заряда p–n перехода, будет подхвачен электрическим полем EВН и выброшен: электрон – в n–область, дырка – в p– область. Возникает электрический ток, который пропорционален ширине области объемного заряда. Это вызвано тем, что чем больше EВН , тем шире область, где существует электрическое поле, в котором происходит рождение и разделение носителей зарядов. Как было сказано выше, скорость генерации носителей зарядов в полупроводнике зависит от концентрации и энергетического положения глубоких примесей, существующих в материале.
По этой же причине выше предельная рабочая температура полупроводника. Для германия она составляет 80º С, кремний: 150º С, арсенид галлия: 250º С (DE = 1,4 эВ). При большей температуре количество носителей заряда возрастает, сопротивление кристалла уменьшается, и полупроводник термически разрушается.
Вольт-амперная характеристика p-n перехода.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) является графической зависимостью протекающего через р-n переход тока от приложенного к нему внешнего напряжения I=f(U). Вольт-амперная характеристика р-n перехода при прямом и обратном включении приведена ниже.
Она состоит из прямой (0-А) и обратной (0-В-С) ветвей; на вертикальной оси отложены значения прямого и обратного тока, а на оси абсцисс — значения прямого и обратного напряжения.
Напряжение от внешнего источника, подведенное к кристаллу с р-п переходом, практически полностью сосредотачивается на обедненном носителями переходе. В зависимости от полярности возможны два варианта включения постоянного напряжения — прямое и обратное.
При прямом включении (рис. справа - верх) внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему и частично или полиостью ослабляет его, снижает высоту потенциального барьера (Rпр). При обратном включении (рис. справа - низ) электрическое поле совпадает по направлению с полем р-п перехода и приводит к росту потенциального барьера (Rобр).
ВАХ p-n перехода описывается аналитической функцией:
U — приложенное к переходу внешнее напряжение соответствующего знака;
Iо = Iт — обратный (тепловой) ток р-п перехода;
— температурный потенциал, где k - постоянная Больцмана, q - элементарный заряд (при T = 300К, 0,26 В).
При прямом напряжении (U>0) - экспоненциальный член быстро возрастает [], единицей в скобках можно пренебречь и считать . При обратном напряжении (U<0) экспоненциальный член стремится к нулю, и ток через переход практически равен обратному току; Ip-n = -Io.
Вольт-амперная характеристика р-n-перехода показывает, что уже при сравнительно небольших прямых напряжениях сопротивление перехода падает, а прямой ток резко увеличивается.Пробой p–n перехода.
Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением.
Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода (Rдиф). Соответствующий участок вольт-амперной характеристики изображен на рисунке справа (обратная ветвь). После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока. В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление Rдиф оказывается отрицательным).
Пробой бывает лавинный, тунельный, тепловой. И туннельный и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.
При |Uк| = |Uпр| толщина p-n перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении Uпр запирающий слой исчезает. Вследствие этого электроны и дырки (основные носители заряда в n- и p-областях) начинают свободно диффундировать в смежные области полупроводника. Увеличение диффузионной составляющей тока через p-n переход при неизменной дрейфовой составляющей приводит к нарушению термодинамического равновесия:
Через переход протекает ток, который называется прямым.
Процесс переноса носителей заряда через прямосмещенный электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией. Часто прямой ток называют током инжекции.
В несимметричном p-n переходе, когда концентрация электронов в n-области во много раз больше концентрации дырок в p-области, диффузионный поток электронов во много раз превышает поток дырок и ими можно пренебречь. В данном случае имеет место односторонняя инжекция электронов. Область, из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются носители, — базой.
Неравновесные неосновные носители зарядов диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление электронейтральности происходит за счет поступления носителей заряда от внешнего источника взамен ушедших к p-n переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Это приводит к появлению электрического тока во внешней цепи — прямого тока.
p-n переход при обратном напряжении
Под действием обратного напряжения основные носители будут отталкиваться от граничного слоя, и дрейфовать вглубь полупроводника. При этом ширина слоя, обедненного основными носителями, увеличивается по сравнению с равновесным состоянием. Сопротивление p-n перехода для прохождения тока основных носителей увеличивается. Происходит изменение в соотношении токов через p-n переход. Диффузионный ток уменьшается и в предельном случае с ростом потенциального барьера стремится к нулю. Для неосновных носителей заряда поле в p-n переходе остается ускоряющим, они захватываются им и переносятся через p-n переход. Процесс переноса неосновных носителей заряда через обратносмещённый p-n переход в область полупроводника, где они становятся основными носителями, называется экстракцией.
Дрейфовый ток, создаваемый неосновными носителями, называется тепловым током Iт. Так как концентрация неосновных носителей относительно мала, то и ток, образуемый ими, не может быть большим. Кроме того, он практически не зависит от напряженности поля в p-n переходе, т.е. является током насыщения неосновных носителей. Все неосновные носители, которые подходят к p-n переходу, совершают переход через него под действием поля независимо от его напряженности. Поэтому ток Iт определяется только концентрацией неосновных носителей и их подвижностью. Концентрация неосновных носителей, а, следовательно, и тепловой ток сильно зависят от температуры.
По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии и поэтому результирующий ток p-n перехода равен:
При |Uобр| ≫ Uк током основных носителей заряда можно пренебречь. Поэтому тепловой ток Iт в этом случае называют током насыщения.
Таким образом, p-n переход обладает вентильными свойствами, т.е. односторонней проводимостью:
1) при приложении прямого напряжения (прямое смещение) через переход протекает электрический ток, значение которого при повышении напряжения увеличивается по экспоненциальному закону. Сопротивление перехода минимально;
2) при смещении p-n перехода в обратном направлении, его сопротивление возрастает и через переход протекает малый тепловой ток.
Обратный ток Iобр возрастает при уменьшении ширины запрещенной зоны полупроводника, из которой выполнен p-n переход. У германиевых p-n переходов Iобр обычно на два-четыре порядка выше, чем у кремниевых.
Переход металл – полупроводник и его особенности
Для повышения быстродействия в импульсных приборах используются переходы, выполненные на основе контакта металл — полупроводник путем нанесения металла на кремниевую пластинку n-типа. Электроны из полупроводника n-типа переходят в металл, образуя на их границе отрицательный заряд в металле и положительный в полупроводнике. Возникающее при этом электрическое поле препятствует дальнейшему переходу электронов и в области перехода формируется обедненная область. При подаче на металлический контакт положительного напряжения приток избыточных электронов восстанавливается и через переход протекает прямой ток. При подаче отрицательного потенциала на область металла увеличивается потенциальный барьер перехода металл — полупроводник, ток через переход не протекает. Такие переходы называют барьерами Шоттки.
Прямосмещённым называется p-n переход, находящийся под прямым напряжением: если к p-области присоединён положительный, а к n-области - отрицательный полюс источника напряжения. При этом уменьшается ширина перехода и высота потенциального барьера.
Прямосмещённый p-n переход
Ширина прямосмещённого p-n перехода
Высота потенциального барьера определяется формулой:
Потенциальный барьер в прямосмещённом p-n переходе
Диаграмма распределения потенциала для прямосмещённого p-n перехода:
Диаграмма распределения потенциала для прямосмещённого p-n перехода
Диаграмма распределения п. мосмещённого p-n перехода
Энергетическая диаграмма прямосмещённого p-n перехода:
Энергетическая диаграмма прямосмещённого p-n перехода
Энергетическая диаграмма . мосмещённого p-n перехода
Инжекция - это процесс нагнетания (введения) носителей заряда через p-n переход в область полупроводника, для которого они являются неосновными, при понижении высоты потенциального барьера. В несимметричном переходе инжекция имеет односторонний характер.
Эмиттер - область, инжектирующая носители. Сильно легирован примесями, имеет низкое удельное сопротивление.
База - область, в которую инжектируются носители. Легирована менее, чем эмиттер и имеет большее значение удельного электрического сопротивления.
В области базы инжектированные носители за счёт наличия градиента концентрации распространяются вглубь базы, рекомбинируют с носителями базы, при чём концентрация инжектированных носителей снижается, приближаясь к равновесной.
Коэффициент инжекции - это отношение концентрации инжектированных носителей к равновесной концентрации основных носителей базы:
Коэффициент инжекции
При чём концентрация неосновных носителей определяется формулами:
Концентрация неосновных носителей в базе при инжекции
Концентрация неосновных н. телей в базе при инжекции
Избыточная концентрация неосновных носителей определяется формулами:
Избыточная концентрация неосновных носителей в базе при инжекции
Избыточная концентрация н. телей в базе при инжекции
Из этого следует, что избыточные концентрации неосновных носителей заряда на границе перехода увеличиваются по экспоненциальному закону в зависимости от напряжения, приложенного к нему.
Распределение неосновных носителей в базе. В области базы инжектированные носители рекомбинируют с основными носителями базы и их количество уменьшается, приближаясь к равновесному в глубине базы. Закон изменения концентрации дырок в базе описывается функцией:
Распределение неосновных носителей в базе
Lp - диффузионная длина дырок в базе (отрезок, на котором избыточная концентрация неосновных носителей заряда уменьшается в e раз вследствие рекомбинации; расстояние, которое проходят неосновные носители за время жизни).
(для второго случая аналогично, только с электронами).
Зависимость концентрации дырок в базе от координаты:
Зависимость концентрации дырок в базе от координаты
Зависимость концентрации . ырок в базе от координаты
Описанное перераспределение основных носителей заряда приводит к появлению электрического тока во внешней цепи, так как по ней поступают носители заряда взамен ушедших к p-n переходу и исчезнувших в результате рекомбинации.
Дрейфовая составляющая тока не зависит от приложенного напряжения, так как условия перехода неосновных носителей заряда через p-n переход остаются теми же, что и равновесном состоянии, т.е. переход неосновных носителей заряда происходит в ускоряющем поле p-n перехода.
Диффузионная составляющая тока возрастает с увеличением приложенного напряжения, так как из-за снижения высоты потенциального барьера количество переходов основных носителей заряда в тормозящем электрическом поле p-n перехода будет резко увеличиваться.
Для несимметричного (N А >> NД) прямосмещённого p-n перехода характерны следующие соотношения между токами: iDp >> iDn ; iD >> iE.
Плотности дырочной и электронной составляющих дрейфового тока определяются формулами:
Напряжение, приложенное к p-n переходу, называется прямым, если оно приложено «плюсом» к p-области и минусом к n-области, обратным наоборот. Напряжение, приложенное к переходу называется также смещением перехода.
При прямом смещении ( ) источник создает поток электронов, который проникает в n-область и вместе с основными электронами n-области эти внесенные электроны дрейфуют по направлению границы. Аналогично и в p-области: от источника поступают дополнительные дырки, которые вместе с основными дырками дрейфуют к границе. Вблизи границы электроны и дырки рекомбинируют, а на выводах источника появляются новые электроны и дырки, поступающие в ПП пока приложено прямое напряжение.
Кроме того, электроны из p-области притягиваются к «плюсу» источника, а дырки из n-области притягиваются к «минусу» источника, снижая тем самым концентрацию неосновных носителей зарядов. Возникает ток, который называется прямым. Этот ток ограничен сопротивлением перехода в прямом смещении, которое при увеличении очень мало ( ). Поэтому очень большой, а p-n переход называется открытым. Открывается переход после того, как приложенное превысит потенциальный барьер.
При обратном смещении ( ) свободные электроны n-области притягиваются к «плюсу» источника, а свободные дырки p-области – к «минусу» источника. Обедненный слой расширяется, и величина потенциального барьера растет. Это препятствует перемещению основных носителей зарядов через переход. С другой стороны через переход и внешнюю цепь будут проходить неосновные носители зарядов, образуя небольшой обратный ток. Сопротивление перехода в обратном смещении ( ) велико и при возрастании обратного напряжения ток будет медленно возрастать. Переход закрыт.
Таким образом, p-n переход обладает односторонней проводимостью.
Этот процесс описывается с помощью ВАХ:
Область 1: < , мал, переход открывается.
Область 2: > , возрастает ( ).
Область 3: – мал, медленно растет.
Область 4: соответствует обратному напряжению, при котором происходит пробой p-n перехода.
Читайте также: