Теория электронно - дырочного перехода.

Тема 4. Полупроводниковая электроника.

Полупроводниковые электронные приборы, принципы их классификации.

Принципы классификации ЭП на полупроводниках:

- по технологии изготовления

- по типу информационных процессов

- по диапазону частотного спектра

- по типу физического процесса или эффекта

- по принципу переноса энергии и уровню мощности

- специальные

Для каждого уровня – типа п/п приборов вводится своя буквенно – цифровая система кодирования – классификации (см Тему 1).

Количество p-n переходов.

Конструкция и ВАХ p-n перехода, его свойства.

Определение: p-n переход – тонкий слой между двумя частями п/п кристалла с разными типами примесной проводимости.

Известно несколько типов конструкций переходов, однако общим свойством всех типов является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом – почти не пропускает из-за наличия потенциального барьера Е_собств и его взаимодействия с внешним приложенным напряжением Е_внешн

- + I_ПР + -

Е_С Е_С

+ N P - - N P +

E_ВН Е_ВН Е_ВН

I_ОБР<<I_ПР I_ОБР >>I_ПР I_ОБР

ВАХ p-n перехода – зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности внешнего напряжения. Если Е_внешн увеличивает барьер, ток называется обратным I_обр, если Е_внешн уменьшает барьер, ток называется прямым I_пр.

I_обр обусловлен движением малого количества неосновных носителей одной из областей. Попадая в другую область при дрейфе в переходе, они не изменяют равновесного состояния п/п, т.е. уже там являются основными носителями. Их скорость от Е_внешн зависит, но не число, значит I_обр =const = I_насыщ.

Теория электронно - дырочного перехода.

Электронно-дырочным пере­ходом (ЭДП) называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая — дырочную электропроводность (то же, что и p\ n переход).

Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диф­фузионные диоды), эпитаксия — ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные перехо­ды могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоско­стными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 4.3.1 а. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (N-область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (Р-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей. В отсутствии внешнего электрического поля электроны в N_{области} стремятся проникнуть в Р-область, где концентрации электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р-области перемещаются в N-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и Р-областей ток во внешней цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено на рис. 4.3.1 б. Ток диффузный равен току дрейфа, но противоположен по знаку.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Е_собств. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным. Высота потенциального барьера на р-n-переходе определяется контактно, разностью потенциалов N- и Р-областей. Контактная разность потенциалов, свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

Рис.4.3.1. Резкий p-n переход и распределение объемного заряда в нем.

где - тепловой потенциал, N_n и Р_р - концентрации электронов и ды­рок в N - и Р- областях, n_i — концентра­ция носителей зарядов в нелегирован­ном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6... 0,7В, а для кремния — 0,9... 1,2 В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложени­ем внешнего напряжения к р-n-переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, кото­рое совпадает с внутренним, то вы­сота потенциального барьера увели­чивается, при несовпадении напряжений высота потенциального барьера уменьшает­ся.

При прямом смещении увеличивается диффузионный ток основных носителей, которые, попадая в другую зону, существенно увеличивают концентрацию неосновных носителей. Этот процесс инжекции носителей, встречный (и дырок, и электронов). Дрейфовый ток остается без изменений

По мере снижения высоты потенциального барьера при прямом включении растет экспоненциально:

, (1)

где =25мв, для Si при Т=300 К, U-напряженность на переходе. Дрейфовый встречный ток проводимости j_s маленький, однако, полный ток определяется уравнением Эберса – Молла (разность токов)

,

при Т=300 К, φ_Т=25мВ, т.е. для U=0.1В e^U/φт>>1, тогда

.

Прямое падение напряжения на p-n переходе при прямом выключении не должно превышать контактной разности потенциалов φ_к=1в для Si. Реальный прямой ток , где S – площадь перехода.

Обратное напряжение ограничивается величиной, при которой начинается лавинный пробой перехода. В начале пробоя U_пр=const,а ток I_обр увеличивается, затем переход разрушается.

Емкость С p-n перехода – функция отношения Δq/ΔU при обратном включении и называется барьерной:

,

где U-обратное напряжение.

При прямом включении есть диффузная емкость С_диф=Т_р/φ_Т, где Т_р – время жизни неосновных носителей. Не зависит от U.