Електронно-дірковий перехід із зовнішнім джерелом напруги

 

Якщо у р - і n -ділянки напівпровідника ввімкнути зовнішнє джерело напруги, то термодинамічна рівновага порушиться. Відомо, що питомий опір запірного шару набагато вищий від питомого опору нейтральних ділянок. Тому зовнішня напруга майже повністю спадає на переході, а отже, зміна висоти потенціального бар'єра дорівнює значенню прикладеної напруги. Залежно від полярності ввімкненої у р- або n -ділянку напруги розрізняють пряме (F) та зворотне (R) вмикання р - n -переходу.

Пряме вмикання. Якщо у р- ділянку ввімкнути плюс джерела зовнішньої напруги R_F, а у и -ділянку - мінус, висота потенціального бар'єра зменшиться (рис. 2.3):

 

                                          .              (7.18)

 

Таке вмикання р- n -переходу в джерело напруги називають прямим (прямим зміщенням). У цьому випадку електричне поле прямої напруги ІІр діє назустріч полю контактної різниці потенціалів j _k.

Термодинамічна рівновага, а отже, і баланс між дифузією та дрейфом носіїв заряду порушується. Це показано на рис. 7.6, а векторами E_к і U_F. Унаслідок зменшення висоти потенціального бар'єра збільшується дифузійний струм, а струм дрейфу майже не змінюється, оскільки він залежить здебільшого від числа неосновних носіїв, які завдяки власним тепловим швидкостям потрапляють на р- n -перехід з р - і n -ділянок. Якщо знехтувати спадом напруги на опорі нейтральних ділянок n і р, то напругу на переході можна вважати такою: j _F= j _k- U_F. При цьому повний прямий струм через перехід, тобто прямий струм I_F= I_диф - I_др> 0, а оскільки I_диф>> I_др, то I_F» I_диф. Прямий струм у переході є суто дифузійним. Він утворюється струмом дірок з р -ділянки в n -ділянку та електронів з n -ділянки в р -ділянку. Оскільки градієнти концентрації дуже великі, потрібна невелика напруга (менша за 1В), щоб одержати великі струми.

Під дією прямої напруги через зменшений потенціальний бар'єр носії заряду вводяться в ділянки, де вони є неосновними. Цей процес називають інжекцією (вприскуванням) носіїв заряду.

Ділянку напівпровідникового приладу, з якої інжектуються носії, називають емітерною ділянкою або емітером. Цей термін широко вживається для позначення виводів напівпровідникових приладів. Емітер - це ділянка напівпровідникового приладу з високою питомою електричною провідністю, призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базову ділянку. Ділянку, в яку інжектуються неосновні для неї носії заряду, називають базовою ділянкою або базою. У несиметричних і односторонніх р- n -переходах концентрації домішок в n - і p -ділянках суттєво відрізняються. Для n ⁺- р -переходу n_n>> p_p, а отже, інжекція електронів з n -ділянки в p -ділянку значно перевищує інжекцію дірок у зворотному напрямі. У цьому разі емітером вважають n -ділянку, а базою - p -ділянку, оскільки інжекцією дірок можна знехтувати.

Зауважимо, що в ділянках за межами переходу при невеликій напрузі зміна концентрації неосновних носіїв не порушує електричної нейтральності цих ділянок. Це пояснюється швидкою нейтралізацією заряду інжектованих неосновних носіїв основними носіями, які надходять із зовнішнього кола. При прямій напрузі не тільки знижується потенціальний бар'єр, але також зменшується ширина запірного шару d_пр < d ( рис. 7.6, б). Його опір у прямому напрямі стає малим (одиниці-десятки омів).

 

 

Рис. 7.6 - Пряме вмикання p- n -переходу:

а - потенціальна діаграма; б - структура ЕДП

 

При деякій прямій напрузі можна взагалі усунути потенціальний бар'єр у p- n -переході. Тоді опір переходу, тобто опір запірного шару, наблизиться до нуля і ним можна знехтувати.

Прямий струм у цьому випадку зросте і буде залежати тільки від опору нейтральних n - і p -ділянок.

 

 

Рис. 7.7 - Зворотне вмикання р- n -переходу:

а - потенціальна діаграма; б - структура ЕДП

Зворотне вмикання. Якщо джерело зовнішньої напруги U_R увімкнути плюсом у n -ділянку, а мінусом - у p -ділянку (таке вмикання називають зворотним (рис. 7.7)), то запірний шар розшириться: d_к> d (електрони і дірки як основні носії заряду змістяться в різні боки від p- n -переходу), поле зворотної напруги додасться до поля контактної різниці потенціалів. Результуюче електричне поле зросте. Висота потенціального бар'єра збільшиться до j _R= j _k+ U_R (рис. 7.7, а).

Таке поле настільки перешкоджає дифузії основних носіїв, що перехід зарядів унаслідок дифузії фактично припиняється.

Водночас поле направлене так, що воно витягує неосновні носії з відповідних нейтральних ділянок і змушує їх дрейфувати через область об'ємного заряду. На потік неосновних носіїв (дірок із ділянки n в ділянку р та електронів із ділянки р в ділянку n) зростання потенціального бар'єра не впливає: для цих носіїв перехідний шар являє собою не бар'єр, а навпаки «яму», куди вони скочуються.

Інтенсивність потоку неосновних носіїв залежить тільки від числа дірок та електронів, що виникають у прилеглих до переходу ділянках, і не залежить від зовнішніх факторів. При цьому відбувається переміщення дірок з n -ділянки в р -ділянку і електронів з p -ділянки в n -ділянку, внаслідок чого утворюється від'ємний або зворотний струм через перехід. Таким чином, неосновні носії заряду втягуються електричним полем у p- n --перехід і проходять через нього в сусідні ділянки. Виведення неосновних носіїв (дірок з n -ділянки та електронів з p -ділянки) через p- n -перехід під дією прикладеної до нього зворотної напруги U_R, унаслідок чого концентрація неосновних носіїв по обидва боки металургійної межі протягом декількох дифузійних довжин зменшується, називають екстракцією.

У нейтральних зонах напівпровідника концентрація неосновних носіїв набагато менша від концентрації основних носіїв. Отже, зворотний струм, пропорційний концентрації неосновних носіїв, буде набагато меншим, ніж струм при прямому вмиканні. Крім того, як тільки зворотна напруга збільшиться до значення, за якого припиняється дифузія основних носіїв (частинки вольта), подальше збільшення зворотної напруги не змінює зворотного струму або змінює його незначно. Хоча збільшення зворотного зміщення зумовлює зростання електричного поля в області об'ємного заряду, зворотний струм обмежується надходженням неосновних носіїв з нейтральних областей. Тому як тільки поле досягне значення, за якого воно витягує (екстрагує) всі неосновні носії, які надходять з нейтральних областей, струм перестає залежати від подальшого збільшення напруженості поля. Цей постійний зворотний струм I₀ називають зворотним струмом насичення p- n -переходу, тепловим струмом або струмом екстракції. Його значення залежить від температури і матеріалу напів­провідника (ширини забороненої зони D W).

Максимальне значення струму екстракції визначається числом неосновних носіїв заряду, які виникають у нейтральних п- і р -ділянках за одиницю часу на відстані від переходу, що не перевищує дифузійної довжини L_n та L_p. Від прикладеної напруги він практично не залежить і є в цьому сенсі струмом насичення. У кремнієвих приладах він у 10⁶ разів менший, ніж у германієвих.

На значення струму I₀ впливають явища, які викликають зміну концентрації неосновних носіїв унаслідок генерації електронно-діркових пар. Такими явищами можуть бути: зміна температури (це найпоширеніша причина, тому I₀ називають тепловим), дія рентгенівських променів або інжекція додаткових неосновних носіїв за допомогою другого переходу. Останнє явище відіграє дуже важливу роль у БТ і тиристорах.

З підвищенням зворотної напруги загальний зворотний струм I_R не залишається постійним, не дорівнює струму екстракції I₀, а повільно збільшується. Однією з причин цього є термічна генерація носіїв зарядів безпосередньо в переході (у збідненому шарі). Складову зворотного струму через перехід, яка залежить від числа носіїв заряду, що генерують у переході за одиницю часу, називають струмом генерації, термострумом I_T. З підвищенням зворотної напруги через розширення переходу збільшується його об'єм, тому число носіїв заряду, а відтак і I_T зростають.

Число носіїв, що генерують в одиниці об'єму за одиницю часу (швидкість генерації), дорівнює n_i/ t, де t - тривалість «життя» носіїв у збідненому шарі. Помноживши цю величину на об'єм збідненого шару Sd_R(U), одержують повне число носіїв, що виникають у p- n переході за одиницю часу. Усі вони зіштовхуються електричним полем із збідненого шару, а тому струм генерації

 

Частка струму генерації у повному зворотному струмі тим вища, чим більша ширина забороненої зони і нижча температура.

Наприклад, для кремнієвого p- n -переходу при T=25⁰ С та U_R=-1 Вмаємо I_R = 10^-9 А; I₀ = 10^-14 А.

Ще однією причиною зростання I_R зі збільшенням U_R є поверхнева провідність ЕДП, що обумовлює струм витоку або поверхневий струм І _n.

Реальні p- n- переходи мають ділянки, які виходять на поверхню напівпровідникового кристала. На такій поверхні внаслідок забруднення і впливу поверхневого заряду між р - і n -ділянками можуть утворюватися провідні плівки та канали, по яких проходить струм витоку. Він збільшується пропорційно напрузі і за достатньо великої зворотної напруги може перевищити тепловий струм I₀ і струм генерації.

Струм витоку майже не залежить від температури. У кремнієвих приладах та інтегральних схемах поверхня кристала покривається спеціальним захисним шаром, і струм витоку, як правило, нехтовно малий.

Отже, загальний зворотний струм реального ЕДП

                             .       (7.19)

 

Зі збільшенням зворотної напруги збільшується не тільки висота потенціального бар'єра, але і товщина запірного шару, товщина р-п -переходу (d_R > d). Справді, під дією зворотної напруги основні носії відтягуються з примежових шарів у глибину р - і n -ділянок (рис. 7.7, б). Запірний шар ще дужче збіднюється носіями і опір значно зростає, тобто R_r>>R_F. Можливість керувати шириною об'ємного заряду (шириною запірного шару) за допомогою зворотної напруги використовується у ПТ з керувальним р-п -переходом.

Таким чином, р- n -перехід має нелінійну провідність, малий опір, може пропускати великі струми при прямому вмиканні, а також дуже великий опір і дуже малі струми при зворотному вмиканні. Напрям, у якому p-n -перехід має найменший опір, називають пропускним напрямом. Напрям постійного струму, в якому р- n -перехід має найбільший опір, називають запірним напрямом. Такі переходи називають випрямними. Ці особливості ЕДП, так само як і інжекцію-екстракцію носіїв зарядів, широко використовують у напівпровідниковій електроніці.

7.5 Вольт-амперна характеристика ідеалізованого р-п -переходу

 

Електронно-діркові переходи широко використовують як складові частини напівпровідникових приладів, а тому визначають вхідні або вихідні параметри таких компонентів електронних схем. Для їх оцінки важливою є характеристика залежності між напругою, яка діє на електродах приладу, і струмом - вольт-амперна характеристика (ВАХ). Для спрощення процедури виведення ВАХ аналізують ідеалізований р-п -перехід. Цей перехід являє собою спрощену модель реального р- n -переходу, в якій зроблено такі припущення:

- у запірному шарі немає генерації та рекомбінації носіїв заряду; носії проходять через збіднений шар миттєво, тобто струми носіїв одного знака на обох межах однакові;

- за межами запірного шару немає електричного поля, тут носії рухаються внаслідок дифузії; опір нейтральних областей порівняно з опором збідненого шару вважається нехтовно малим, що дозволяє не враховувати опори бази та елементів емітера;

- рівень інжекції малий, за якого немає явищ пробою в р- n -переході;

- межі р- n- переходу є плоскими, носії рухаються тільки в напрямі, перпендикулярному до цих меж, крайові ефекти не враховуються, зокрема, вважається, що тут немає струму витоку.

Рівняння ВАХ ідеалізованого переходу одержують на підставі рівнянь неперервності для напівпровідника з урахуванням зміни концентрації дірок та електронів під дією зовнішніх факторів, швидкості рекомбінації дірок та електронів. Аналітичні перетворення та детальний аналіз процесів, які дозволяють одержати ВАХ, розглядаються у відповідних розділах фізики твердого тіла.

Рівняння ВАХ ідеалізованого р- n -переходу має вигляд:

,

де I_о - струм екстракції або струм насичення; j _T - температурний потенціал (при кімнатній температурі j _T =0,026 В).

Таким чином, можна визначити струм через перехід I, якщо задано напругу U. Прологарифмувавши рівняння (2.20), вираз для ВАХ можна записати так:

                                     .              (7.21)

 

Рівняння ВАХ дозволяє одержати вираз для прямого I_F і     зворотного І _R струмів p- n -переходу. Якщо зміщення пряме, зовнішня напруга, як правило, U_F >3 j _T. Тому одиницею в дужках можна знехтувати. Залежність між струмом і прямою напругою відображає експоненту:

                            .                                   (7.22)

 

Якщо зміщення зворотне і мінус U _R > З j _T, експоненціальна складова стає значно меншою за одиницю і її можна не враховувати. Зворотний струм через перехід визначають значенням теплового струму:

 

.

 

Одержані вирази (7.20) - (7.23), незважаючи на зроблені припущення, досить повно характеризують залежність між струмом і напругою на p- n -переході. Це - найважливіша характеристика p- n переходу; її широко використовують, аналізуючи напівпровідникові прилади. Вольт-амперну характеристику для малих прямих напруг U £ 3 j _T, показано на рис. 7.8 (крива I, ліва шкала відліку).

 При прямій напрузі прямий струм різко збільшується: струм на порядок збільшується за умови збільшення напруги на 2,3 j _T (60 мВ при Т=300 К                         

 

                                  

                                                 15               1                      3

                                                      10

 

                                                      5

 

                   -6    -4    -2

                                                                  2     4     6     8                

 

Рис. 7.8 - Вольт-амперні характеристики ідеалізованого p n -переходу

 

При зворотній напрузі, що перевищує за модулем (2...3) j _T, зворотний струм ідеалізованого p- n -переходу не залежить від напруги і дорівнює I₀. Робочі прямі струми p- n -переходів у напівпровідникових приладах на декілька порядків перевищують I₀. Для прямих струмів близько (10³...10⁴) I₀ на рис. 7.8 показано праву шкалу; ВАХ зображено кривою 2, для якої зворотний і початковий відрізки характеристики не виділяються.

7.6 Ємнісні властивості p- n -переходу

 

Процеси накопичення, розосередження, генерації та регенерації, які відбуваються безпосередньо в переході та за його межами, спричиняють інерційність електричних перетворень. Дійсно, якщо на ЕДП подати сходинку напруги або струму, то перехідні процеси перебігають так, як в електричних колах з конденсаторами. Особливості електричних процесів у p-n- переході дозволяють виділити дві складові повної ємності C _j бар'єрну та дифузійну.

Бар'єрна ємність. У запірному шарі ЕДП по обидва боки від металургійної межі виникають однакові за значенням, але протилежні за знаком об'ємні заряди іонів домішок. Залежно від прикладеної напруги змінюється товщина цього шару d (рис. 7.6, 7.7) і, як наслідок, значення зарядів. Тобто маємо систему, аналогічну зарядженому конденсатору з діелектриком, функцію якого виконує збіднений шар. Ємність, створену цими процесами, називають бар'єрною. Вона збігається з ємністю плоского конденсатора, відстань між обкладинками якого дорівнює товщині запірного шару d. Вплив цієї ємності переважно виявляється під час зворотного вмикання p-n -переходу. Зі збільшенням модуля зворотної напруги d збільшується, бар'єрна ємність — зменшується. Підвищення концентрації домішок збільшує ємність, оскільки відстань між обкладинками зменшується.

Залежність ємності від напруги називають вольт-фарадною характеристикою. Властивість p-n -переходу змінювати ємність шляхом зміни напруги використовують для побудови особливого типу напівпровідникових діодів - варикапів.

Дифузійна ємність. При прямій напрузі виявляються дві фізичні причини, які зумовлюють ємність p-n -переходу. Перша з них полягає у змінюванні зарядів у збідненому шарі, що враховується за допомогою бар'єрної ємності, друга - у змінюванні концентрації носіїв у нейтральних зонах поблизу межі переходу і значення заряду, накопиченого цими носіями внаслідок інжекції. Цей процес відтворюється за допомогою дифузійної ємності. Така назва вказує на те, що заряди неосновних носіїв змінюються в результаті дифузії.

Дифузійна ємність експоненціальне зростає зі збільшенням прямої напруги і при досить великих прямих напругах (для кремнію 0,4...0,5 В дифузійна ємність С_диф значно перевищує бар'єрну С_6ар. При малих напругах, коли значно наростає струм рекомбінації, дифузійна ємність стає меншою від бар'єрної і нею нехтують. Отже, повна ємність р-п -переходу становить суму двох складових:

                         

                                      ,        (7.24)

 

причому С_бар впливає у разі зворотного вмикання, а С_диф - прямого.

Наявність цих ємностей та їхні значення враховуються при створенні напівпровідникових приладів, призначених для роботи у високочастотних та швидкодіючих радіоелектронних пристроях, коли тривалість процесів накопичення - розосередження є сумірною з періодом зміни інформаційних сигналів або з їх тривалістю.

 

7.7 Пробій р-п -переходу

 

Пробій р-п -переходу - це явище різкого збільшення диференціальної провідності p- n -переходу у разі досягнення зворотною напругою (струмом) критичного для даного приладу значення. Існують три основні види (механізми) пробою: тунельний, лавинний і тепловий. Тунельний та лавинний відносять до електричних пробоїв, які спричинюються лавинним розмножуванням носіїв заряду чи тунельним ефектом під дією прикладеної напруги.

Тунельний пробій обумовлюється тунельним ефектом - переходом електронів крізь потенціальний (енергетичний) бар'єр без зміни енергії. Тунельний ефект виявляється тільки за дуже малої товщини переходу (близько 10 нм), тобто в переходах між сильнолегованими р- і п -ділянками (якщо N>10¹⁸ см^-3). Умови для тунелювання виникають тільки при повній напруженості електричного поля, значення якої складає приблизно         8·10⁵ В/см для кремнієвих переходів та 3·10⁵ В/см для германієвих. Оскільки вірогідність тунелювання значною мірою залежить від напруженості електричного поля, то зовні тунельний ефект виявляється як пробій p-n -переходу. Напруга тунельного пробою не перевищує декількох вольтів. З підвищенням температури ширина забороненої зони трохи зменшується. Отже, температурний коефіцієнт напруги тунельного пробою є негативним.

Лавинний пробій пов'язаний з утворенням лавини носіїв зарядів під дією сильного електричного поля, в якому носії на довжині вільного пробігу набувають енергії, достатньої для утворення нових електронно-діркових пар ударною іонізацією атомів напівпровідника. Пробій виникає при U_R = U_проб, коли відбувається безперервне зростання струму. Чим меншою є концентрація домішок і чим більшою ширина забороненої зони, тим більшою буде напруга пробою.

З підвищенням температури напруга лавинного пробою збільшується, що пояснюється зменшенням довжини вільного пробігу носіїв. За таких умов потрібна більша напруженість електричного поля для того, щоб носії набули енергії, необхідної для ударної іонізації. У такому разі температурний коефіцієнт напруги лавинного пробою є позитивним.

Якщо концентрації домішок невисокі (менше 10¹⁸ см^-3), напруга лавинного пробою буде меншою, ніж тунельного, тобто матиме місце лавинний пробій. Якщо концентрації домішок високі (понад 10¹⁹ см^-3), напруга лавинного пробою буде вищою за напругу тунельного і відбудеться тунельний пробій. Для проміжних значень концентрацій домішок пробій обумовлюється двома механізмами. На практиці механізм пробою визначають за знаком температурного коефіцієнта напруги пробою. Експерименти показують, що крутість ВАХ лавинного пробою вища, ніж ВАХ тунельного.

Тепловий пробій спричинюється нагріванням p-n -переходу за рахунок виділення теплоти при проходженні зворотного струму. Такий пробій відбувається внаслідок зростання носіїв заряду через порушення рівноваги між кількістю тепла, що виділяється в р-п -переході, та кількістю тепла, що відводиться від нього. На переході виділяється потужність розсіювання (I_R U_R), яка спричинює підвищення температури ЕДП і прилеглих до нього ділянок напівпровідника. Унаслідок цього збільшується концентрація неосновних носіїв і тепловий струм, що знову таки призводить до подальшого зростання потужності розсіювання та температури.

Якщо кількість виділеної в переході теплоти перевищує кількість відведеної теплоти, то при напрузі пробою (коли якраз і створюються такі умови) починає розвиватися процес безперервного наростання температури, а отже, і струму. У такому разі напруга теплового пробою залежить від умов тепловідведення: з підвищенням температури навколишнього середовища вона зменшується.

Напруга теплового пробою тим нижча, чим більший тепловий зворотний струм I₀. У p-n -переходах з великим значенням I₀, зокрема в германієвих, навіть при кімнатній температурі тепловий пробій може настати раніше, ніж лавинний.

У кремнієвих ЕДП зворотні струми значно менші і напруга теплового пробою настільки велика, що раніше настає лавинний пробій. Проте при високій температурі навколишнього середовища тепловий пробій виникає і в кремнієвих р- n -переходах. Пробій може початись як лавинний, а потім зі збільшенням зворотного струму перейти в тепловий. Після усунення електричних пробоїв p-n -перехід відновлює свої властивості. У деяких напівпровідникових приладах це явище використовують для корисних перетворень електричних сигналів (наприклад, у стабілітронах).

Тепловий пробій завжди призводить до руйнування електричного переходу. Під час проектування та експлуатації електричних переходів створюють схемотехнічні та конструктивні умови, щоб запобігти тепловим пробоям.