Ширина и барьерная емкость электронно-дырочного перехода

Ширина и барьерная емкость электронно-дырочного перехода

 

Емкость при обратном смещении

 

Если к п/п прикладывается внешняя разность потенциалов U_внеш , то в зависимости величины приложенного поля к обратно смещенному p-n переходу происходит уменьшение или увеличение объемных зарядов у его границ обусловленных неподвижными ионами доноров и акцепторов (рис. 5.1).

 

!! Барьерную емкость образуют ионы доноров и акцепторов

 

Рис. 5.1 Образование пространственного заряда при обратно смещенном p-n переходе

 

Обратно смещенный плоский p-n переход, ведет себя подобно электрической емкости. Эта емкость, называемая барьерной емкостью, и определяется, как емкость обычного плоского конденсатора.

 

Заряды, обусловли­вающие барьерную емкость C_б, сосредоточены в двух тонких слоях плоского p-n перехода, расположенных на расстоянии D один от другого, что очень напоминает поверхностные заряды на металлических обкладках конденсатора.

 

С = e_oe S/D (5.1)

 

где e_o = 8, 85.10^-12ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость;

e - относительная диэлектрическая проницаемость;

S - площадь перехода.

 

Величина барьерной емкости

 

C_бар = dQ/dV (5.2)

 

где dQ – изменение заряда;

dV – изменение разности потенциалов на нем.

Разность потенциалов на переходе

 

V = (f_k + U_внеш) (5.3)

 

Заряды на “обкладках“ (рис. 5.1) p-n перехода (на единичной площади перехода, S=1)

 

Q₊ = qN_д(x_o - x”)

Q_- = qN_а(x’- x_o) (5.4)

 

Решая систему 5.4 относительно D с учетом 5.2, 5, 3 и V=f_k, получим оценочную величину ширины p-n перехода в равновесном состоянии

 

D = ((e e_of_k /q)(1/N_a+1/N_д))^0.5 (5.5)

можно показать, что в неравновесном состоянии и обратно смещенном p-n переходе

 

D = k1 /(f_k + U_внеш)^0.5 (5.6)

 

Барьерная емкость с учетом 5.1 и 5.6

 

С_бар = e_oe S/D = k2 /(f_k + U_внеш)^0.5 (5.7)

 

k1, k2 коэффициенты

Емкость при прямом смещении

 

Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов.

При прямом включении p-n перехода носители диффундируют через переход и накапливаются в соседней области.

 

Количество инжектированного в соседнюю область носителей заряда зависит от величины приложенного к p-n переходу напряжения U, т.е. изменение инжектированного заряда при изменении приложенного напряжения может характеризоваться емкостью, которую принято называть диффузионной.

 

C_дифф=dQ/du (5.8)

 

где Q - инжектированный заряд.

 

Будем считать, что p-n переход несимметричный и концентрация дырок в p области значительно больше концентрации электронов в n области.

 

Тогда заряд дырок, инжектированных в n-область

 

Q = qS∫ Dp(x)dx = f(U) (5.9)

Dp(x) плотность распределения носителей заряда (инжектированных дырок) в n-области

Можно показать, используя 5.8 и 5.9

 

C_дифф=dQ/du = k₃ J_p t _эфф exp(U/f _T) / f _T (5.10)

k₃ ~0.5-1

t_эфф - эффективное время жизни неосновных носителей.

J_p – плотность дырочного тока

 

Таким образом, как видно из (5.10), диффузионная емкость зависит от величины прямого тока через p-n переход и времени жизни носителей заряда, которое определяет глубину их проникновения в соседнюю область.

Чем больше время жизни инжектированных носителей заряда, тем на большую глубину они проникают и тем больше величина инжектированного заряда.

 

!! Диффузионную емкость образуют неосновные носители заряда.

 

Рис. 5.2 Барьерная и диффузионная емкости перехода

 

Общая емкость перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостям.

 

С= С_бар+ C_дифф (5.11)

 

 

ВАХ р-n перехода

 

Односторонняя проводимость p-n перехода наглядно иллюстрируется его ВАХ, показывающей зависимость тока через p-n переход от величины и поляр­ности приложенного напряжения.

 

Прямая ветвь ВАХ

 

При U_пр > +0, 05В à e^40U » 1.

Ток через p-n переход при увеличении Uрезко возрастает.

 

I_пр = I_oe^40U (5.17)

Обратная ветвь ВАХ

 

Начиная с напряжения -0, 05В à е^40U «1 и ею можно пренебречь. Ток через переход

 

I =I_обр ~ Iо [мкА] (5.18)

 

При повышении температуры прямой и обратный токи растут, а р-n переход теряет свое основное свойство - одностороннюю проводимость.

 

 

Пробой p-n перехода

 

Возникает припревышении обратного напряжения U_обр некоторого допустимого значения U_{o6p max}

U_обр > U_{o6p max} (5.19)

 

При повышении обратного напряжения наступает лавинный и тепловой пробой (ветвь загибается вниз, рис. 5.3)

Превышение обратного напряжения величины U_{o6p max} приводит к резкому

увеличению обратного тока, т.е. происходит резкое уменьшение сопротивления p-n-перехода.

Это явление называется пробоем p-n-перехода, а соответствую­щее ему напряжение — напряжением пробоя.

 

Различают электрический и тепловой пробой .

Электрический пробой

 

При движении через p-n переход под дейст­вием электрического поля неосновные носите­ли заряда приобретают достаточную энергию для ионизации атомов решетки.

 

Пройдя через p-n переход и двигаясь с большой скоростью внутри полупроводника, электроны сталкива­ются с нейтральными атомами и ионизируют их.

 

В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые в свою очередь, разго­няются полем и создают возрастающее количество носителей тока.

Этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличе­нию обратного тока при постоянном обратном напряжении (обратная ветвь ВАХ перехода, рис.5.4).

 

Возможны два типа электрического пробоя: лавинный пробой и туннельный пробой

 

Рис. 5.4 Пробой p-n перехода

 

Лавинный пробой обычно развивается в достаточно широких p-n переходах.

В тонких р-n переходах при большой напряженности электрического поля развивается туннельный пробой .

Электрический пробой обратим, первоначальные свойства p-n перехода полностью восстанавливаются, если от­ключить источник э.д.с. от перехода. Электрический пробой используют в качестве рабочего режима в диодах-стабилитронах.

 

Тепловой пробой

 

Если температура p-n перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточным теплоотводом, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда.

Это приводит к дальнейшему нагреву р-n перехода и увеличению обратного тока до значений при которых наступает разрушение перехо­да. Такой процесс называется тепловым пробоем.

Т.о. допустимое обратное напряжение на переходе зависит от условий теплоотвода.

 

Тепловой пробой необратим, поэтому этот режим недопустим при эксплуатации полу­проводниковых приборов.

 

Ширина и барьерная емкость электронно-дырочного перехода

 

12Следующая ⇒

Поделиться: