823
.pdfЛавинный пробой. Лавинный пробой имеет другой механизм. Под действием электрического поля электроны в обедненном слое достигают таких скоростей (энергий), при которых возможна ударная ионизация ато мов (рис. 1.22). При некотором обратном напряжении ионизация носит ла винный характер и обратный ток резко возрастает (рис. 1.23). При лавин ном пробое с увеличением температуры напряжение пробоя увеличивает ся. Объясняется это тем, что подвижность носителей обратно пропорцио нальна температуре и, следовательно, скорость и энергия их меньше.
Обедненная область
Г <-£> |
о > |
СУ-> сн> |
|
'р-слой |
сн> л-слой |
\ |
сн> |
|
|
|
Рис. 1.22 |
Тепловой пробой. В основе теплово го пробоя лежит саморазогрев р-п- перехода при достижении обратным током определенной величины. Как известно,
мощность потерь Рпот = / ^ 0бр и вся она
переходит в тепло, а с увеличением темпе ратуры растет тепловой ток /о, что приво дит к возрастанию потерь. Начинается теп ловой пробой только после появления тун нельного или лавинного пробоев (рис. 1.24). Этот пробой необратим и приводит к разрушению /7-и-перехода. При увеличении температуры напряжение пробоя уменьша ется.
г
Рис. 1.24
1.9.8. Емкость /ь/1-перехода
Р-л-переход обладает емкостью. Это связано с тем, что его можно рассматривать как плоский конденсатор, где области р и п являются обкладками, а обедненный слой - диэлектриком. Если мы прикладываем к р-л-переходу внешнее напряжение, то происходит либо накопление заряда в базе (прямое напряжение), либо его рассасывание (обратное напряжение). В связи с этим принято рассматривать два вида емкости на р- л-переходе: диффузионную Сдаф и барьерную СбПри прямом напряжении это диффузионная емкость Сдаф, она тем больше, чем больше прямой ток,
сяф - ^ ,
Фт
где /пр - прямой ток; т - время жизни носителей.
Однако влияние диффузионной емкости на переходные процессы и частотные свойства незначительно. Это связано с тем, что Сдиф зашунтирована малым прямым сопротивлением р-л-перехода и постоянная времени
т - величина незначительная, т = СдифЯПр .
2
Барьерная емкость р-л-перехода (в Ф/мм ) зависит от величины об ратного напряжения:
ee0eN6
Сб =
2U ’
где е - заряд электрона; ео - диэлектрическая проницаемость вакуума; е -
диэлектрическая проницаемость полупроводника; |
- концентрация при |
|
мести в базе; U - обратное напряжение на р-л-переходе. |
||
Учитывая, что для кремния е = 12, барьерную емкость можно рассчи |
||
тать так: |
|
|
|
Сб * 3 -1 (Г 16 |
|
А |
В справочнике |
дается величина C6Q |
Qxip
для напряжения на емкости Щ. Если нужно найти емкость при другом напряжении (7, то можно воспользоваться формулой
= С,
Вольт-фарадная характеристика барь ерной емкости представлена на рис. 1.25.
Л е к ц и я 5
1.9.9. Электронно-дырочный переход с туннельным эффектом
При высокой концентрации донорной и акцепторной примеси уровень Ферми располагается не в запрещенной зоне, как у классических полупро водников, а в зоне проводимости /7-полупроводника и в валентной зоне //-полупроводника. Такие полупроводники получили название вырожден ных, и их свойства близки к свойствам металлов. Если создать «-//-переход из таких полупроводников, то зонная диаграмма на «-//-переходе будет иметь вид, показанный на рис. 1.26.
ЗП
Как видно, в таких переходах потенциальные уровни зоны проводи мости «-полупроводника оказываются ниже потенциальных уровней ва лентной зоны //-полупроводника, и так как /о находится в обратной зави симости от концентрации, то обедненный слой получается очень узким и, следовательно, «прозрачным» для движения электронов. Таким образом, появляется возможность прямого, без изменения энергии, перехода элек тронов из зоны проводимости «-полупроводника в валентную зону //-полу проводника и обратно. Этот эффект, открытый в 1958 г. японским ученым Лео Эсаки, получил название туннельного эффекта, а ток - туннельного тока //-«-перехода. Наличие на //-«-переходе, кроме диффузионного и дрейфового, еще и туннельного тока значительно изменяет ВАХ перехода, а также частотные и импульсные свойства, позволяя использовать данный переход в импульсных и высокочастотных устройствах.
1.9.10. Электронно-дырочный переход с различной шириной запрещенной зоны
Такие переходы получили название гетерпереходов и могут представ лять собой контакт кремний - германий, германий - арсенид галия и др. Как известно, ширина запрещенной зоны у кремния 1,11 В, а у герма ния - 0,76 В. В результате контакта на границе перехода происходит раз рыв или скачок потенциальных уровней (рис. 1.27) в валентной зоне Дерv и в зоне проводимости Дфс. При этом Асрс < Аф v, так как Дф с определяется только работой выхода электронов из р- и «-полупроводников, а Дф v - еще и разным потенциалом фуйе и <PvSiПоэтому высота потенциального барь ера для электронов и дырок будет разной, а не одинаковой, как в симмет ричных «-/7-переходах.
Ge |
|
|
Si |
|
ЗП |
|
|
|
|
/ |
|
|
ЗП |
|
|
|
|
/ / / / // /// / / / |
|
р |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
п |
||
фЧ)с |
! |
! |
||
|
1 |
1 |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
сPF |
1 |
1 |
|
|
1 |
1 |
|
||
|
1 |
1 |
Фз31 |
|
/////> ( |
J L |
' |
||
|
||||
вз |
! |
! A<Pv |
||
|
||||
|
!i |
%i |
177777) i777777 |
|
|
ВЗ |
|||
|
|
|
4>ysi |
Рис. 1.27
Если подать на переход прямое напряжение определенной величины, то потенциальный барьер для электронов снизится на величину, достаточ ную для активной инжекции электронов в /7-область, а для дырок это сни жение будет недостаточным и их инжекция практически будет отсутство вать. Односторонняя инжекция может повысить быстродействие элек тронных приборов, что является необходимым условием для создания светодиодов. Она может быть получена и в обычных переходах, если Мд» Na или наоборот, однако при этом ухудшаются параметры /?-«-перехода за счет внесения вместе с примесью «вредных» дополнительных веществ.
Гетерпереход может быть получен при контакте полупроводников одинаковой проводимости п-п или р-р. В этом случае прибор работает на основных носителях и переключение его будет происходить быстрее, так как не требуется времени на рассасывание неосновных носителей, которые присутствует на /ьл-переходе. Такие переходы нашли применение в им пульсных схемах, обеспечивая их высокое быстродействие.
1.10. Контакт металл - полупроводник
Этот контакт известен давно. Первые полупроводниковые диоды и триоды представляли собой контакт металлической иглы и кристалла. Од нако эти приборы были не надежными, а характеристики их имели боль шой разброс, так как все определялось контактом, а он, окисляясь, изменял свои характеристики, был не одинаков в однотипных приборах. В настоя щее время контакт металл - полупроводник получается путем вакуумного напыления и имеет очень хорошие свойства и по надежности, и по харак теристикам.
Рассмотрим зонную диаграмму контакта металл - полупроводник /7-типа (рис. 1.28) до и после получения контакта, где срм - потенциал или работа выхода электрона с поверхности металла; ср5 - потенциал или рабо та выхода электрона с поверхности полупроводника. Если срм > ср5, то элек троны из металла перейдут в полупроводник, рекомбинируются с дыркой и вблизи контакта образуется слой, обедненный основными носителями, а образовавшийся объемный заряд акцепторной примеси установит динами ческое равновесие, аналогичное тому, как это происходит на и-/7-переходе.
Металл |
Р' полупроводник |
Металл |
/^-полупроводник |
|
[Ж |
* 1 |
|
||
|
■ |
ЗП |
|
|
Фм |
|
|
|
Ф*0 |
|
|
|
|
|
Фг |
|
|
|
|
|
|
|
JSE_________ |
|
|
|
|
----------------------- 4- |
|
|
|
In |
t |
э > — |
вз
ны в Si0 2 , а переходя в полупроводник, либо обогащают, либо обедня ют приповерхностный слой в зависимости от типа полупроводника (рис. 1.36).
Si02
е ® ф @ ф @ ф ф ф
© |
© е |
е |
© |
© |
© |
© |
© |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ р + |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Si |
Si |
|
|
б |
в |
|
|
Рис. |
1.36 |
|
Если пленка Si02 образована на поверхности полупроводника «-типа, то в этом случае вблизи поверхности, называемый «-каналом, создается обогащенный электронами слой (рис. 1.36, а). Если пленка окисла кремния образована на поверхности полупроводника p -типа, то образуется обед ненный слой основных носителей, заполненный отрицательными ионами акцептора (рис. 1.36, б), либо инверсионный слой «-типа совместно с обед ненным слоем основных носителей (рис. 1.36, в). Наличие или отсутствие инверсионного слоя зависит как от концентрации доноров в окисной плен ке, так и от концентрации дырок в / 7-слое. Наличие слоя с отрицательными ионами и инверсного слоя отрицательно сказывается на работе /7-«-пе- рехода, а именно увеличивает ток термогенерации, может образовать про водящую перемычку, закорачивая /7-«-переход, повышает уровень собст венных шумов диода. Наличие обогащенного слоя в «-полупроводнике в меньшей степени влияет на /7-«-переход, но играет очень важную роль в структурах металл - диэлектрик - полупроводник.
Л е к ц и я 6
1.12. Фотоэффект в полупроводниках
При освещении световым потоком проводимость полупроводникового материала возрастает. Это связано в тем, что энергия кванта света фотона /iv, поглощаясь в полупроводнике, может переводить электрон из валент-
ной зоны в зону проводимости, создавая дополнительные носители. Ши рина запрещенной зоны для данного полупроводника есть величина посто янная, поэтому можно записать ЛУкр £ А1¥3>где И - постоянная Планка; д w3 - ширина запрещенной зоны; у,ф - критическая частота электромаг нитного изучения. Отсюда
AW3 vкр £ И
При частоте излучения v < у,ф энергия кванта света фотона будет не достаточной для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны или с уровней присадки в зону проводимости, и электропроводность полупро водников не будет изменяться. С ростом частоты излучения (v > у^,) кон центрация электронов и дырок увеличивается, что приводит к значитель ному росту электропроводности. Однако при дальнейшем увеличении час тоты излучения глубина проникновения света в кристалл уменьшается и процесс перевода электрона в зону проводимости происходит только в приповерхностном слое кристалла, в результате чего снижается количест
во свободных носителей, а следовательно, и электропроводность. Кривая зависимости удельной проводимости от частоты излу чения представлена на рис. 1.37.
В зависимости от ширины запрещен ной зоны фотоэффект может проявиться как в инфракрасной, так и в ультрафиоле товой части электромагнитного спектра. Поскольку рассмотренный эффект приво-
Угр дит к изменению внутреннего сопротивле ния полупроводникового материала, то данное явление называется фоторезистор-
ным эффектом, а приборы, работающие по принципу этого эффекта, - фо торезисторами.
Фотоэффект может проявляться не только в фоторезисторе, но и на р-я-переходе при облучении его световым током. Этот эффект получил на звание фотогальванического эффекта. Рассмотрим, что происходит на р-п- переходе при его освещении. Под действием фотонов в обедненной облас ти образуются дополнительные пары электрон - дырка. Электрическое по ле, которое присутствует на р-я-переходе, разделяет эти пары. Электроны уходят в п-область, а дырки - в p -область. В результате этого изменяется величина потенциального барьера Афо, что эквивалентно появлению доба вочной разности потенциалов, которая получила название фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС). При замыкании внешней цепи фотоЭДС вы