Transcript Слайд-лекция "Электронно

План.
 Общие сведения.
 Формирование p-n перехода.
 Вольт-амперные характеристики p-n перехода.
 Свойства p-n перехода.
 Пробой p-n перехода.
Общие сведения.
Электронно-дырочным (p-n) называют такой переход, который
образован двумя областями полупроводника с разными типами
проводимости: электронной и дырочной. Электронно-дырочный
переход
нельзя
создать
простым
соприкосновением
полупроводниковых пластин n- и p-типа, так как в месте
соединения невозможно обеспечить общую кристаллическую решетку без дефектов. На практике широко используется метод
получения p-n перехода путем введения в примесный
полупроводник
примеси
с
противоположным
типом
проводимости, например с помощью диффузии, или эпитаксии.
Электронно-дырочные переходы используются в большинстве
полупроводниковых приборов (в диодах и полевых транзисторах
используются по одному p-n переходу, в биполярных
транзисторах - два p-n перехода, в тиристорах - три p-n
перехода). Поэтому очень важным является понимание
физических явлений и электрических свойств p-n перехода.
Рассмотрим монокристалл полупроводника (рис. 1) в котором с
одной стороны введена акцепторная примесь, обусловившая
возникновение здесь электропроводности типа p, а с другой
стороны введена донорная примесь, благодаря которой там
возникла электропроводность типа n. Каждому подвижному
положительному носителю заряда в области p (дырке)
соответствует отрицательно заряженный ион акцепторной
примеси, но неподвижный, находящийся в узле кристаллической
решетки, а в области n каждому свободному электрону
соответствует положительно заряженный ион донорной примеси,
в результате чего весь монокристалл остается электрически
нейтральным.
Рис. 1
Формирование p-n перехода.
p-n
переход
образован
электрическим
контактом
полупроводников n- и p-типа с одинаковой концентрацией
донорных и акцепторных примесей (рис. 1.5, a). На границе
областей возникают градиенты концентраций электронов и
дырок. Вследствие того, что концентрация электронов в n-области
выше, чем в p-области, возникает диффузионный ток электронов
из p-области в n-область. А из-за того, что концентрация дырок в
p-области выше, чем в n-области, возникает диффузионный ток
дырок из p-области в n-область. В результате диффузии основных
носителей заряда в граничном слое происходит рекомбинация.
Приграничная p-область приобретает нескомпенсированный
отрицательный заряд, обусловленный отрицательными ионами.
Приграничная n-область приобретает нескомпенсированный
положительный заряд, обусловленный положительными ионами.
На (рис. 1.5. б) показано распределение концентраций дырок p(x)
и электронов n(x) в полупроводнике. В граничном слое образуется
электрическое поле, направленное от n-области к p-области, как
показано на (рис. 1.5, а)
Рисунок 1.5.
Рисунок 1.6.
Это поле является тормозящим для основных носителей заряда.
Теперь любой электрон, проходящий из n-области в p-область,
попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить его
обратно в электронную область. Аналогично любая дырка,
проходящая из p-области в n-область, также попадает в
электрическое поле, стремящееся возвратить ее обратно в
дырочную область.
Внутреннее поле является ускоряющим для неосновных
носителей. Если электроны p-области вследствие, например,
хаотического теплового движения попадут в зону p-n перехода, то
внутреннее поле обеспечит их быстрый переход через
приграничную область. Аналогично будут преодолевать p-n
переход дырки n-области. Для них внутреннее поле также
является ускоряющим.
Таким образом, внутреннее электрическое поле p-n перехода
создает дрейфовый ток неосновных носителей заряда. Этот ток
направлен встречно диффузионному току основных носителей
заряда.
Вольт-амперная характеристика
p-n-перехода.
Вольт-амперной характеристикой p-n перехода называется
зависимость тока, протекающего через p-n переход, от величины
и полярности приложенного напряжения. Аналитическое
выражение ВАХ p-n перехода имеет вид:
,
где Iобр — обратный ток насыщения p-n перехода;
U - напряжение, приложенное к p-n переходу.
В общем виде вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-n
перехода (рис. 1.10) представляется экспоненциальной
зависимостью.
При больших обратных напряжениях наблюдается пробой
p-n перехода, при котором обратный ток резко увеличивается.
Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и
тепловой (необратимый).
При прямом смещении р-n перехода (при протекании
прямого тока) Rст всегда больше сопротивления rd.
rd = φТ / I.
Поскольку на p-n переходе при больших токах может
выделяться достаточно большая мощность, температура
перехода при этом может заметно превысить температуру
отдельных
областей
полупроводникового
элемента
и
окружающей среды.
Свойства p-n перехода.
Прежде всего, рассмотрим два образца полупроводника с
электронной и дырочной электропроводностями (рис. 1.6, а).
Напомним, что в дырочном полупроводнике присутствуют в
равном количестве подвижные положительные дырки и
неподвижные отрицательные ионы. На (рис. 1.6,а) дырки
обозначены знаками «плюс», а отрицательные ионы - знаками
«минус», заключенными в кружки. Для нашего рисунка
концентрация примеси в электронном полупроводнике выбрана
в 2 раза меньше, чем в дырочном. Аналогично обозначениям
зарядов
в дырочном полупроводнике
в электронном
полупроводнике электроны обозначены знаками «минус», а
положительные ионы - со знаками «плюс», заключенными в
кружки.
Поскольку NA=2NД, то заряды в дырочном полупроводнике
нарисованы в 2 раза чаще, чем в электронном.
Теперь представим, что рассмотренные нами два образца
являются просто областями единого кристалла полупроводника
(рис. 1.6, б). Тогда по закону диффузии электроны из области n
будут перемещаться в область р, а дырки, наоборот, - из области
р в область n. Встречаясь на границе р и n областей, дырки и
электроны рекомбинируют. Следовательно, в этой пограничной
области значительно уменьшается концентрация носителей
заряда
и
обнажаются
некомпенсированные
заряды
неподвижных ионов. Со стороны области обнажаются
положительные заряды доноров, а со стороны области
р-отрицательные
заряды
акцепторов.
Область
некомпенсированных неподвижных зарядов и есть собственно
область р-n перехода. Ее часто называют обедненным,
истощенным слоем, или i-областью, имея ввиду резко
сниженную концентрацию подвижных носителей заряда. Иногда
эту область называют запорным слоем электронно-дырочного
перехода.
Отметим, что р-n переход в целом должен быть электронейтральным,
т.е. отрицательный заряд левой части и положительный заряд правой части
должны быть одинаковы. Поскольку в рассматриваемом нами случае NA = 2NД
(несимметричный переход), протяженность областей расположения заряд
оказывается разной: одну треть i-области занимают акцепторы, а две трети
доноры. Таким образом, большая часть обедненной области сосредоточивается в
слаболегированном (высокоумном) слое.
В реальных р-n переходах концентрации доноров и акцепторов
отличаются на несколько порядков. В таких несимметричных переходах
практически весь обедненный слой сосредоточен в слаболегированной части.
Ширина обедненного слоя (i-области) в равновесном состоянии l0 (см. рис. 1.6, б)
является важным параметром р-n перехода.
Пробой p-n перехода
При превышении определенного уровня U обратный ток
реального р-n перехода быстро увеличивается, т. е. наступает
пробой. Под пробоем р-n перехода понимается явление резкого
увеличения обратного тока при достижении обратным
напряжением определенного критического значения. Все
разновидности пробоя р-n перехода можно разделить на две
основные группы пробоев: электрические и тепловые.
Электрические пробои связаны с увеличением напряженности
электрического поля в запорном слое р-n перехода, а тепловые
с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно
температуры.
Рассмотрим, прежде всего, основные разновидности
электрического пробоя: полевой (зенеровский), лавинный и
поверхностный. Вид ВАХ электрического пробоя представлен на
(рис. 1.13.) Основное внешнее отличие разновидностей
электрического пробоя проявляется в величинах пробивного
напряжения.
В узких р-n переходах при относительно
небольших обратных напряжениях (U ≤ 7В) обычно
возникает полевой пробой. В основе полевого пробоя
могут лежать несколько эффектов. Так, под действием
большой
напряженности
электрического
поля
становится возможной генерация носителей заряда
энергиями меньше ε3. При малых пробивных
напряжениях основным эффектом, определяющим
развитие полевого пробоя, становится туннельный.
Электрический пробой, возникающий под действием
этого эффекта, часто называют туннельным.
В относительно широких р-n переходах при обратных напряжениях
больше 15 В возникает лавинный пробой, механизм которого
заключается в лавинном размножении носителей заряда в сильном
электрическом поле под действием ударной ионизации. Электрон и
дырка в запорном слое р-n перехода, ускоренные электрическим полем
на длине своего свободного пробега, могут при столкновении с решеткой
кристалла разорвать валентную связь. В результате рождается новая
пара «электрон-дырка» и процесс повторяется под действием этих новых
носителей. Таким образом, сопротивление р-n перехода начинает
падать, а ток резко возрастать.