книги / Физические основы электроники

меньшей электропроводностью и его называют запирающим

слоем.

Пространственные заряды создают электрическое поле р—«-перехода (рис. 2.1, г), напряженность которого Е имеет максимальную величину на границе раздела, где происходит изменение плотности и знака пространственного заряда.

Электрическое поле пространственного заряда препятст­ вует диффузии основных носителей заряда, в то время как неосновные носители заряда (т.е. дырки из «-области и элек­ троны из p-области) могут беспрепятственно проходить через переход, образуя дрейфовый ток, направление которого проти­ воположно диффузионному. Так как в изолированном полу­ проводнике плотность тока должна быть равна нулю, то ус­ танавливается динамическое равновесие, когда диффузион­ ный и дрейфовый потоки зарядов через электронно-дыроч­ ный переход компенсируют друг друга. Таким образом, через р—«-переход одновременно перетекают четыре составляющих тока (рис. 2.1, д, ж). Общая плотность тока при этом рав­ на нулю:

Перепад потенциала в p—«-переходе называют потенци­ альным барьером или контактной разностью потенциалов.

Образование потенциального барьера можно пояснить на схеме (см. рис. 2.1, д). Вблизи границы раздела р—«-областей, где п - р - «,, уровень Ферми проходит через середину запре­ щенной зоны. Поскольку в полупроводнике «-типа уровень Ферми смещается в сторону зоны проводимости, а в полупро­ воднике р-типа — в сторону валентной зоны, то в дырочной области дно зоны проводимости должно лежать значительно дальше от уровня Ферми, чем дно зоны проводимости в элек­ тронной области. Следовательно, в области р—«-перехода ди­ аграмма энергетических зон искривляется. Высота потенци­ ального барьера или контактная разность потенциалов в р —«- переходе Дфо = ф, - <р„ и зависит от положения уровня Ферми вр- и «-области. Увеличение концентрации примесей в любой из областей смещает уровень Ферми от середины запрещен-

ной зоны, а следовательно, и увеличивает высоту потенци­ ального барьера. Уменьшение концентрации примесей, нао­ борот, снижает потенциальный барьер.

Высоту потенциального барьера удобно выражать в еди­

где Дфо — высота потенциального барьера в вольтах; фг — температурный потенциал

и неосновных носителей заряда соответственно в л- и р-об- ласти.

При Т= 300 К температурный потенциал фг (300 К) «0,026 В. У большинства германиевых переходов потенциальный барьер фг = 0,3—0,4 В; у кремниевых переходов — 0,7-0,8 В.

2.2. Эф ф ект выпрямления в р—/^переходе

Рассмотрим, как изменяются условия переноса заряда че­ рез р—л-переход, когда к нему приложено некоторое внешнее напряжение — напряжение смещения (рис. 2.2, а).

Если «минус» внешнего источника напряжения U под­ ключить к p-области, а «плюс» к л-области, то под действием электрического поля источника основные носители заряда будут дрейфовать от пограничных к переходу слоев в глубь полупроводника (такую полярность приложенного к переходу напряжения будем называть обратной).

В результате ширина обедненного основными носителями слоя увеличивается по сравнению с равновесным состоянием и сопротивление р—л-перехода возрастает (на рис. 2.2, б верти­ кальные пунктирные линии 1-1 'показывают границы р—и-пе-

ляющая тока через переход зависит от высоты потенциально­ го барьера.

Таким образом, в случае подключения к р—«-переходу обратного напряжения величина диффузионного тока через переход уменьшается с увеличением обратного напряжения. При больших обратных напряжениях (]U06P\ » фг) ток через переход стремится к величине дрейфового тока. В дальнейшем этот ток будем называть обратным током насыщения р—«- перехода и обозначать 10 (его называют еще тепловым током).

Если к p -области подключить «плюс» источника внешнего напряжения, а к «-области — «минус» (в дальнейшем внешнее напряжение с указанной полярностью будем называть пря­ мым Unp; рис. 2.3, а—д), то под действием внешнего поля основные носители заряда перемещаются по направлению к р—«-переходу. В приконтактных слоях концентрация носите­ лей увеличивается, толщина перехода становится меньше и со­ противление р —«-перехода понижается. В этом случае прило­ женное к переходу результирующее напряжение определяется разностью величин Дфо и t/np:

Высота потенциального барьера уменьшается и диффузи­ онный ток основных носителей через переход возрастает. Этот ток через переход будем называть прямым.

При |f/np| < Дфо [см. формулу (2.7)] потенциальный барьер способствует движению через переход неосновных носителей заряда — составляющая дрейфового тока, а при |[/пр| > Дфо — препятствует этому движению. При |£/пр| » Дфор—«-переход, по существу, исчезает.

Область полупроводника, назначением которой является инжекция носителей заряда, называется эмиттерной облас­ тью — эмиттером. Область полупроводника, в которую ин­ жектируются эмиттером неосновные для нее носители заряда, называется базовой областью — базой.

Отношение избыточной концентрации неосновных носи­ телей заряда в базе вблизи р—«-перехода к равновесной кон-

0,1 В, в соотношении

(2.8) можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальным чле­

ном.

При отрицательных

напряжениях (]1/| > 0,1-

V

у .

0,2 В) величина е Фт

мо малой и ток через переход стремится к току насыщения. Таким образом, величина и направление тока, проходящего через р—л-переход, зависят от величины и знака приложенно­ го к переходу напряжения. В соответствии с этим электриче­ ское сопротивление перехода в одном направлении может быть значительно больше, чем в другом. Следовательно, р—/i-переход обладает выпрямляющим действием — одно­ сторонней проводимостью, что позволяет использовать его в качестве выпрямителя переменного тока.

Вид вольт-амперной характеристики в значительной сте­ пени зависит от температуры. Зависимость от температуры обратной ветви вольт-амперной характеристики определяется температурными изменениями тока насыщения, который про­ порционален равновесной концентрации неосновных носите­ лей заряда в базе, возрастающей с увеличением температуры по экспоненциальному закону. Обычно принимается, что ток насыщения удваивается при увеличении температуры на 10 °С для германиевых и на 7 °С для кремниевых переходов.

Температурная зависимость прямой ветви вольт-ампер­ ной характеристики согласно равенству (2.8) определяется из­ менениями тока /о и показателя экспоненты. Эту зависимость удобно выразить как изменение с температурой прямого на­ пряжения при постоянном прямом токе.

Для оценки прямого напряжения при изменении темпера­ туры вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН), характеризующий сдвиг вольт-амперной характеристики по оси напряжений.

Температурный коэффициент напряжения эмиттер — ба­ за имеет отрицательный знак и равен: -1,2 -2 мВ/град для германиевых и -1,2 -3 мВ/град для кремниевых переходов. При расчетах ТКН обычно принимают равным -2 мВ/град, ТКН зависит от тока и с ростом его немного уменьшается.

Важным параметром р—«-перехода является дифферен­ циальное (или внутреннее) сопротивление перехода для пере­ менной составляющей тока малой амплитуды.

Для прямой ветви дифференциальное сопротивление

С ростом прямого тока дифференциальное сопротивление перехода быстро падает. При токах порядка 5-10 мА оно со­ ставляет несколько ом. Дифференциальное сопротивление пе­ рехода в обратном направлении значительно больше, чем в прямом. При |-[/обР| » q>r его можно считать бесконечно большим.

2.3. Пробой р—/т-перехода

Начиная с некоторого значения обратного запирающего напряжения обратный ток реального р—«-перехода быстро увеличивается. Если этот ток не ограничивать, то возникает пробой перехода. Выпрямляющее свойство перехода при про­ бое нарушается. При больших обратных напряжениях вольтамперная характеристика перехода имеет вид одной из кри­ вых, показанных на рис. 2.5. Она зависит от удельного сопро­ тивления полупроводника, типа р—«-перехода, формы и вели­ чины приложенного напряжения, окружающей температуры и условий теплоотвода, состояния поверхности и других факто­ ров. Физическая природа пробоя может быть различной.

Различают четыре разновидности пробоя: туннельный, ла­ винный, тепловой и поверхностный. Туннельный и лавинный пробои связаны с наличием электрического поля и имеют об­ щее название электрического пробоя. Тепловой пробой проис­ ходит от возрастания рассеиваемой переходом мощности. Поверхностный пробой зависит от поверхностного заряда.

Туннельный пробой наступает в том случае, когда элект­ рические зоны в полупроводнике претерпевают сильный нак­ лон. Запрещенная зона как бы сужается, в результате чего воз­ растает вероятность туннельного перехода электронов из ва­ лентной зоны в зону проводимости. Туннельный пробой мо­ жет наступить в переходе при критических напряженностях поля. Для германиевого перехода Ек « 2-105 В/см; для крем­ ниевого — Ек * 4-105 В/см. Начало пробоя оценивается услов­ но, например, при L еР = 10/о. Напряжение туннельного про­ боя пропорционально удельному сопротивлению базы и за­ висит от типа проводимости.

Лавинный пробой р—«-перехода возникает при меньших значениях напряженности из-за ударной ионизации нейтраль­ ных атомов быстрыми носителями заряда (рис. 2.5, кривая а). Ток перехода нарастает лавинообразно, и сам процесс можно охарактеризовать коэффициентом умножения носителей М в переходе.

Тепловой пробой р —«-перехода (рис. 2.5, кривая б) может возникнуть при низких напряженностях электрического поля, когда отводимое в единицу времени от перехода тепло мень­ ше выделяемого в нем тепла при протекании большого об­ ратного тока. Под действием теплового возмущения валент­ ные электроны переходят в зо­ ну проводимости и еще боль­ ше увеличивают ток перехода.

Это приводит к лавинообраз­ ному увеличению тока и про­

бою перехода. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается. У переходов с малыми обратными токами на­ пряжение пробоя выше.

Поверхностный пробой имеет место в том случае, когда поверхностный заряд приводит к увеличению или уменьше­ нию толщины перехода. При этом пробой может наступить при напряженности поля, значительно меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в объеме. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют ди­ электрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника (защитные покрытия, загрязненность и др.).

2.4. Емкость р—/7-перехода

Барьерная (зарядная) емкость перехода. Определяется от­ ношением изменения пространственного заряда перехода AQn к вызвавшему это изменение напряжение AU:

(2.12)

Плоскостной электронно-дырочный переход можно рас­ сматривать как систему из двух проводящих плоскостей, за­ ряды которых численно равны, противоположны по знаку и разделены средой со свойствами, близкими к диэлектрику, (как плоский конденсатор).

По формуле плоского конденсатора рассчитаем величину

Барьерная емкость зависит от удельного сопротивления и подвижности носителей, от толщины и площади перехода и