Процеси інжекції та екстракції

За наявності зовнішнього елек­тричного поля U («+» підведено до р- ділянки і «-» до n- ділянки) напрям зовнішнього поля буде протилежним внутрішньому Е_диф, тому зі збільшен­ням зовнішнього поля контактна різ­ниця потенціалів U_к зменшувати­меться на U і становитиме U_к- U (рис. 3.1., а), а струм зростатиме (рис. 3.1., б). Таке прикладення на­пруги називається прямим. За такої умови в ділянки р- та n- типу перехо­дять неосновні носії, а це призводить до звуження переходу. У кожному із шарів з'являються надлишкові неос­новні носії заряду. Процес «нагні­тання» таких зарядів в ділянки р- та n- типу називається інжекцією.

Якщо до p-n- переходу прикладено зворотну напругу («+» до п -ділянки і «-» до р- ділянки), ширина ділянки переходу збільшується (рис. 3.1., в). Опір проходженню струму теж збільшується, а потенціальний бар'єр зростає (U_к+U) і струм через перехід буде незначний (рис. 3.1., г). Вольт-амперній характеристиці зворотно-змі­щеного переходу притаманне наси­чення струму. Чим пояснюється ста­лість значення струму у результаті збільшення зворотного зміщення?

Це відбувається внаслідок того, що електрони в п- ділянці, а дірки в р- ділянці не спроможні рухатися туди, куди їх спрямовує електричне поле. Цьому рухові заважає високий по­тенціальний бар'єр. Однак, зворот­ний струм зумовлений переходом не­основних носіїв: електронів, які пе­реходять з р - в п- ділянку і дірок з п- в р- ділянку. В реальних діодах на p-n- переході зворотний струм дещо збільшуватиметься із зростанням на­пруги за рахунок генерації в ділянці переходу, що виникає внаслідок виділення теплоти під час проходження струму. За умови прикладення зво­ротної напруги основні носії відтягу­ватимуться від переходу і шар за рахунок неосновних носіїв розши­рюється. Процес «відтягування» ос­новних носіїв від переходу назива­ється екстракцією.

Рис. 3.1. p-n -перехід під дією електричного поля.

 

А тепер з'ясуємо які властивості має р-п -перехід. За вольт-амперною характеристикою можна зробити ви­сновок, що контакт буде випрямля­ючим. На контакті р- і п- типу напів­провідників виникає потенціальний бар'єр, створений контактним полем, який регулює струм залежно від при­кладеної напруги. Лінійною вольт-амперна характеристика не може бути, оскільки на контакті утворю­ється ділянка об'ємного заряду, що саме створює цей потенціальний ба­р'єр і визначає нелінійність вольт-амперної характеристики.

Зміст самостійної роботи:

Дайте відповіді на запитання:

1. Чому питомий опір р-п- переходу значно більший, порівняно з напівпровідниками р і л-типу, що контактують?

2. Як зміниться питомий опір р-п- переходу, якщо подати на нього зовнішню напругу в прямому і зворотному напрямах?

3. Що відбуватиметься на р-п- переході, як­що прикладена до нього у прямому напря­мі зовнішня напруга дорівнюватиме кон­тактній різниці потенціалів?

 

Плавний перехід

Розглянемо несиметричний р-п -перехід, де концентрація дірок у р -ділянці більша за концентрацію елек­тронів в п -ділянці. Припустимо, що атоми домішки, яка вводиться в р - і п -ділянки, повністю іонізовані, що створює відповідно надлишок дірок і електронів. Тоді n = N_д і p = N_a (де N_д— концентрація донорів, N_a — концентрація акцепторів). Об'ємний заряд з боку ділянки р -типу дорів­нює Q _n = - q N_aSd₁; в ділянці п -типу він становить Q _р = qN_дSd₂, де S — площа переходу, d_l+d₂=d — ширина переходу (рис. 4.1.). Перехід, показа­ний на рисунку, називається ступін­частим чи різким переходом. Єм­ність такого переходу визначається за формулою:

де U — прикладена напруга, ε —діе­лектрична стала напівпровідникового матеріалу.

Створюючи р - і п -переходи в ін­тегральних мікросхемах, викорис­товують метод дифузії. Наприклад, щоб дістати р- п -перехід у рівномірно легованому напівпровіднику п -типу, з одного боку кристала вводиться акцепторна домішка, кількість носіїв якої значно більша за концентрацію електронів. Графік розподілу доміш­ки в р- і п -ділянках показано на ри­сунку 4.2..

Рис. 4.1. Об'ємний заряд на р-п -переході.

Межа між р - і п -ділянками утворюється в тому місці, де п=р. Ця межа називається металургійною межею р-п -переходу. Чому дорівню­ватиме бар'єрна ємність у даному ви­падку? У тому випадку, коли при­кладено зворотну напругу, утворю­ється ділянка об'ємного заряду зав­ширшки d. Як видно з рисунка, змі­на концентрації від р - до п -ділянки в інтервалі d майже лінійна і тому мо­жемо записати:

Рис. 4.2. Плавний р- п -перехід

 

Такий перехід називають плавним переходом, його ємність становить:

де = grad N(x)— градієнт концен­трації носіїв поблизу металургійної межі. Внаслідок прикладення знач­них зворотних напруг може виник­нути пробій р-п -переходу.

Зміст самостійної роботи:

Поясніть пряму і зворотну вольт-амперну характеристику р⁺- п ⁺-переходу.

Типи пробою

Під пробоєм р-п- переходу розу­міють зменшення диференційного зво­ротного опору, яке супроводжується різким зростанням зворотного струму через незначне збільшення напруги.

Диференційний зворотний опір р-п -переходу визначається за формулою , де U_зв - зворотна напруга, прикладена до р-п -переходу; І_зв — зворотний струм.

Розрізняють три види (механізми) пробою: лавинний, тепловий і ту­нельний.

Лавиннийпробій виникає, як­що до р-п- переходу прикладено знач­ну напругу, яка створює в ділянці переходу сильне електричне поле, внаслідок чого виникає ударна іоні­зація і різке збільшення кількості носіїв заряду. Процес лавинного про­бою ймовірніший у разі слаболегованого переходу. Такі переходи ма­ють досить широку ділянку об'ємно­го заряду. Тому довжина шляху, на якому може статись прискорення но­сія заряду і зіштовхнення з електро­нами валентності, у ньому більша.

Рис. 5.1. Вольт-амперна характеристика при лавинному пробою.

 

На ділянці лавинного пробою неве­лика зміна прикладеної зворотної на­пруги спричинює сильну зміну зворот­ного струму (рис. 5.1.). Цей процес не обов'язково буде руйнівним. Значення зворотного струму можна обмежити зовнішнім резистором таким чином, щоб добуток сили струму і напруги не перевищував розрахункової потуж­ності розсіювання приладу. Діоди, які працюють в режимі лавинного пробою, називаються стабілітронами.

Тепловий пробій зумовлю­ється виділенням теплової енергії в ділянці переходу під час проходжен­ня зворотного струму (якщо сила струму порівняно велика або зросла внаслідок ударної іонізації чи ту­нельного ефекту).

Рис. 5.2. Вольт-амперна характеристика при тепловому пробою.

 

Підвищення тем­ператури в ділянці переходу спричи­нює збільшення концентрації віль­них носіїв заряду, а, отже, різке зростання струму. Вольт-амперну характеристку за умови теплового про­бою показано на рисунку 5.2.

Рис. 5.3. Вольт-амперна характеристика при тунельному пробою.

 

Тунельний пробій вини­кає за умови невеликої зворотної на­пруги. За рахунок тунельного ефекту спостерігається різке збільшення струму. Звичайно цей вид пробою маємо на контактах несиметричних, коли одна з ділянок сильно легована, чи на сильнолегованому контакті. Вольт-амперну характеристику для випадку тунельного пробою показано на рисунку 5.3..

Зміст самостійної роботи:

Поясніть механізми лавинного, тунельно­го, теплового пробоїв р-л-переходів.