Лекция_1_Полупроводники_Р_н_переход_ (1). Лекция Полупроводники. Рn переход Физические основы полупроводников Общие понятия. Проводники, полупроводники и диэлектрики
 Скачать 1 Mb.
|
|
5. Вентильное свойство p-n-перехода P-n-переход, обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным, а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем. Рассмотрим p-n-переход, к которому подключен внешний источник напряжения Е вн с полярностью (рис. 12 б):«+» к области p- типа, «–» к области n-типа. Такое подключение называют прямым включением p-n-перехода (прямым смещением p-n-перехода). При таком включении напряженность электрического поля внешнего источника Е вн будет направлена навстречу напряженности поля потенциального барьера E и, следовательно, приведет к снижению результирующей напряженности Е рез : Е рез = E − Е вн Рис.12. Схемы подключения p-n перехода к внешнему источнику питания: а) – обратное включение перехода; б) – прямое включение перехода. Это приведет, в свою очередь, к снижению высоты потенциального барьера (рис. 13) и увеличению количества основных носителей, диффундирующих через границу раздела в соседнюю область, которые образуют так называемый прямой ток p-n-перехода I пр : I пр = I диф – I др , где I диф – электронный ток диффузии; I др – электронный ток дрейфа. I диф I др , то I пр 0. При этом вследствие уменьшения тормозящего, отталкивающего действия поля потенциального барьера на основные носители, ширина запирающего слоя уменьшается ( ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление. Рис.13. Прямое смещение p-n-переходе: перемещение основных и неосновных носителей заряда (красным цветом обозначены дырки; синим – электроны). 10 По мере увеличения внешнего напряжения прямой ток p-n-перехода I пр возрастает. Основные носители после перехода границы раздела становятся неосновными в противоположной области полупроводника и, углубившись в нее, рекомбинируют с основными носителями этой области. Пока подключен внешний источник, ток через переход поддерживается непрерывным поступлением электронов из внешней цепи в n-область и уходом их из p-области во внешнюю цепь, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в p-области. Введение носителей заряда через р-n-переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называют инжекцией носителей заряда. При протекании прямого тока инжектируются основные заряды: из дырочной области р в электронную область n – дырки, а из электронной области в дырочную – электроны. Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером; слой, в который происходит инжекция неосновных для него носителей заряда, называется базой. Если к р-n-переходу подключить внешний источник Е вн с противоположной полярностью: «–» к области p-типа, «+» к области n-типа (рис. 12 а), то такое подключение называют обратным включением p-n-перехода (обратным смещением p-n-перехода). В данном случае напряженность электрического поля этого источника Е вн будет направлена в ту же сторону, что и напряженность электрического поля E потенциального барьера, т.е. суммарная напряженность Еε, действующая в переходе, будет равна: Еε = Е + Е вн При этом возрастает высота потенциального барьера, а ток диффузии I диф основных носителей заряда практически становится равным нулю (I диф = 0). Из-за усиления тормозящего, отталкивающего действия суммарного электрического поля на основные носители заряда ширина запирающего слоя увеличивается ( ), а его сопротивление резко возрастает. Теперь через р–n-переход будет протекать очень маленький ток, обусловленный перебросом суммарным электрическим полем на границе раздела неосновных носителей I др , возникающих под действием различных ионизирующих факторов, в основном теплового характера. Процесс переброса неосновных носителей заряда называется экстракцией. Этот ток имеет дрейфовую природу и называется обратным током р-n-перехода. 6. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода Вольт-амперная характеристика p-n-перехода – это зависимость тока через p-n-переход от величины приложенного к нему напряжения (рис. 14). 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: I p-n = I nдиф + I pдиф + I nдр + I pдр , I nдиф – электронный ток диффузии; I pдиф – дырочный ток диффузии; I nдр – электронный ток дрейфа; I pдр – дырочный ток дрейфа. При прямом напряжении внешнего источника (U вн 0) происходит быстрый рост прямого тока, который в основном определяется диффузионной составляющей. При обратном напряжении внешнего источника (U вн 0) ток р-n-перехода практически равен обратному току, определяемому, в основном, дрейфовой составляющей. Рис. 14. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода 11 Первый квадрант соответствует участку прямой ветви вольт-амперной характеристики, а третий квадрант – обратной ветви. При увеличении прямого напряжения ток р-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 р-n- перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого необходимо использовать ограничительное сопротивление, последовательно подключенное с p-n-переходом. При увеличении обратного напряжения, приложенного к р-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 – происходит пробой p-n-перехода. 7. Виды пробоев p-n-перехода При некотором критическом значении обратного напряжения на p-n-переходе малый обратный ток начинает резко возрастать. Это влияние называют пробоем p-n-перехода. Для большинства типов диодов пробой – явление нежелательное, поскольку из-за резкого роста тока в p-n-переходе выделяется большое количество тепла, что приводит к необратимым структурным изменениям. Если же мощность, выделяющаяся в p-n-переходе, не превышает предельно допустимую, то p-n-переход сохраняет работоспособность и после пробоя. Поэтому для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом. Существуют три основных механизма пробоя: тепловой, лавинный и полевой (туннельный). Два последних механизма пробоя – электрические, которые являются обратимыми. К необратимым относится тепловой пробой. Тепловой пробой Резкий рост обратного тока p-n-перехода возможен при увеличении числа носителей в самом p- n-переходе. При тепловом пробое это происходит за счет выделения тепла на сопротивлении перехода при прохождении через него обратного тока. Напряжение пробоя, как показывают расчеты, определяется обратным током p-n-перехода, температурным коэффициентом обратного тока и тепловым сопротивлением конструкции диода, которое характеризует мощность, отдаваемую от p-n- перехода в окружающую среду. Наиболее сильна зависимость напряжения теплового пробоя от температуры окружающей среды. При ее увеличении пробивное напряжение уменьшается, так как усиливается тепловая генерация носителей и уменьшается перепад температур между p-n-переходом и средой. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от обратного тока через диод при заданной температуре, поэтому в диодах с большими обратными токами уже при комнатной температуре возникают условия теплового пробоя, и он наступает раньше, чем другие виды пробоя. Обратный ток больше у полупроводников с узкой запрещенной зоной, поэтому для германиевых диодов условия теплового пробоя выполняются уже при сравнительно низких температурах, раньше, чем наступают другие виды пробоя. Тепловой пробой в кремниевых диодах может происходить при высоких температурах. Пробой может начаться как лавинный, а по мере увеличения обратного тока перейти в тепловой. Лавинный пробой Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной р-n-перехода, образованных полупроводниками с малой концентрацией примесей. При этом ширина обедненного слоя гораздо больше диффузионной длины носителей. Пробой происходит под действием сильного электрического поля с напряженностью Е от (8 до 12) 10 4 · В/см. В лавинном пробое основная роль принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в р-n-переходе. Эти носители испытывают со стороны электрического поля р-n-перехода ускоряющее действие и 12 начинают ускоренно двигаться вдоль силовых линий этого поля. При определенной величине напряженности неосновные носители заряда на длине свободного пробега l могут разогнаться до такой скорости, что их кинетической энергии может оказаться достаточно, чтобы при очередном соударении с атомом полупроводника ионизировать его, т.е. «выбить» один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару «электрон – дырка». Образовавшиеся носители тоже начнут разгоняться в электрическом поле, сталкиваться с другими нейтральными атомами, и процесс, таким образом, будет лавинообразно нарастать. При этом происходит резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении. С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, а значит, и энергия, которую носитель заряда может приобрести на ней в электрическом поле. Поэтому повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое (рис.15, пунктирная кривая). Рис. 15. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода при изменении температуры окружающей среды: (сплошная кривая – при температуре 20 0 С; пунктирная – при температуре 70 0 С Туннельный пробой Туннельный пробой происходит в очень тонких р-n-переходах, что возможно при очень высокой концентрации примесей, когда ширина перехода становится малой (порядка 0,01 мкм) и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает большой градиент электрического поля. Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда. Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении. С повышением температуры у полупроводников ширина запрещенной зоны уменьшается, уменьшается и толщина потенциального барьера при той же напряженности электрического поля. Вероятность туннелирования носителей через барьер увеличивается, а пробивное напряжение при туннельном пробое с ростом температуры уменьшается (рис.15, сплошная кривая 1). 8. Емкость р-n-перехода Изменение внешнего напряжения на p-n-переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя и, соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя из этого p- n-переход ведет себя подобно конденсатору, ёмкость которого определяется как отношение изменения накопленного в p-n-переходе заряда к обусловившему это изменение приложенному внешнему напряжению. Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную ёмкость р-n-перехода. Барьерная ёмкость соответствует обратно включенному p-n-переходу, который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями. Барьерная ёмкость возрастает при увеличении площади p-n-перехода и диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении ширины обедённого слоя. В зависимости от площади перехода С бар может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости является то, что она является нелинейной емкостью. При возрастании обратного напряжения ширина перехода увеличивается, а барьерная емкость 13 уменьшается. Диффузионная ёмкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p- областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях. Диффузионная ёмкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она шунтируется малым прямым сопротивлением p-n-перехода. Численные оценки величины диффузионной ёмкости показывают, что ее значение доходит до нескольких единиц микрофарад. Таким образом, р-n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости, управляемого величиной и знаком приложенного напряжения. Выводы: 1. p-n-переход образуется на границе p- и n-областей, созданных в монокристалле полупроводника. 2. В результате диффузии в p-n-переходе возникает электрическое поле - потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций основных носителей заряда в соседних областях. 3. При отсутствии внешнего напряжения Е вн в p–n-переходе устанавливается динамическое равновесие: диффузионный ток становится равным по величине дрейфовому току, образованному неосновными носителями заряда, в результате чего ток через p-n-переход становится равным нулю. 4. При прямом смещении p-n-перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает относительно большой диффузионный ток. 5. При обратном смещении p-n-перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток уменьшается до нуля и через переход протекает малый по величине дрейфовый ток. Это говорит о том, что p-n-переход обладает односторонней проводимостью. Данное свойство широко используется для выпрямления переменных токов. 6. Ширина p-n-перехода зависит: от концентраций примеси в p- и n-областях, от знака и величины приложенного внешнего напряжения Е вн . При увеличении концентрации примесей ширина p-n- перехода уменьшается и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширина p-n-перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p-n-перехода увеличивается. Подготовить ответы на вопросы: 1. Что такое ковалентная связь? 2. Что такое зонная теория твердых веществ? 3. Что такое полупроводник, какие материалы к нему относятся? 4. Что понимается под собственным полупроводником, каков механизм его электропроводности? 5. Что понимается под примесным полупроводником, каков механизм его электропроводности? 6. Как объяснить температурную зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике? 7. Что такое дрейфовый ток? 8. Что такое диффузный ток? 9. Поясните механизм образования электронно-дырочного перехода. 10. Что такое инжекция и экстракция носителей заряда? 11. Нарисовать вольт-амперную характеристику p-n-перехода и определить основные параметры, влияющие на его работу. 12. Объяснить механизм лавинного пробоя. 13. При каких условиях в p-n-переходе возможен туннельный пробой? 14. Что такое барьерная емкость p-n-перехода? 15. Что такое диффузионная емкость? Видео: https://vk.com/video-185894601_456239035 14 1. ПРИЛОЖЕНИЯ Характеристики электрического поля. Напряженность – силовая характеристика электрического поля. Электрическое поле всегда существует вокруг электрического заряда и имеет две характеристики: силовую (напряженность электрического поля в данной точке) и энергетическую (потенциал электрического поля в данной точке). Напряженность Е электрического поля в какой-либо точке измеряется силой F, с которой поле действует на единичный положительный точечный заряд q, помещенный в эту точку: Е = F/ q. Напряженность электрического поля – векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы F, действующей в данной точке на положительный заряд. В кулоновском поле точечного заряда вектор напряженности Е направлен вдоль радиальной прямой, проходящий через заряд и данную точку поля от заряда, если q > 0, и к заряду, если q < 0 (рис.1). Рис. 1. Вектор напряженности электрического поля отрицательного и положительного точечного заряда. Если заряд положительный, то сила, действующая на заряд, направлена в ту же сторону, что и напряжённость. Если заряд отрицательный, то сила направлена противоположно напряжённости (рис.2). Рис.2. Направление силы, действующий на заряд, в зависимости от величины заряда и направления напряженности поля Потенциал электрического поля Потенциалом электрического поля в данной точке называется величина, численно равная значению потенциальной энергии единичного положительного точечного заряда, помещенного в этой точке. Потенциалы точек электрического поля положительно заряженного тела положительны и уменьшаются по мере удаления от тела, а потенциалы точек электрического поля отрицательно заряженного тела отрицательны и увеличиваются при удалении от тела. Разность потенциалов (φ 1 – φ 2 ) между двумя точками электрического поля получила название напряжения (U). Напряжение численно равно работе А, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками: U = А 1-2 / q = (φ 1 – φ 2 ). В системе СИ за единицу разности потенциалов (единицу напряжения) принимается один вольт (1 В) – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при которой силы поля, перемещая один кулон электричества из одной точки в другую, совершают работу в один джоуль. |