Основные параметры p- n-перехода.

1. Контактная разность потенциалов:

 , где

 - концентрация электронов собственного полупроводника (зависит от температуры),

N _a N _d – концентрация акцепторной (и донорной) примеси соответственно,

 – температурный потенциал (равен 25мВ при Т=300 градусов по Кельвину),

 – энергия, которую должны приобрести свободные носители заряда, чтобы преодолеть электрическое поле (потенциальный барьер) p-n-перехода.

2. Ширина p-n-перехода: l_pn = l_p + l_n

p-n-переход состоит из двух областей:

-Если N_a=N_d, то l_p=l_n и переход называется симметричным.

-Если N_a> <N_d, то l_p> <l_n (противоположное соотношение), такой переход несимметричен, причем сам переход располагается в области с меньшей концентрацией примеси (слабоконцентрированной).

 

P- n-переход при внешнем напряжении приложенном к нему.

Внешнее напряжение, приложенное к p-n-переходу, нарушает динамическое равновесие токов, отсюда p-n-переход переходит в неравновесное состояние.

1)P-n-переход считается смещенным в обратном направлении, если к p-области приложен «-», а к n-области – «+» внешнего источника напряжения.

                             

Напряжение направлено согласно с φ_к, а потому результирующее напряжение на p-n-переходе равно их сумме: U_pn = U + φ_k. Это увеличивает E электрического поля, ширина p-n-перехода возрастает, процесс диффузии полностью прекращается через p-n-переход протекает обратный ток:

I_pn = I_обр = I₀ – это тепловой ток неосновных носителей заряда I₀. I_диф обращается в ноль. Величина теплового тока зависит от:

а) Температуры окружающей среды:

                             

Поскольку обратный ток связан с не основными носителями заряда, а их концентрация мала, то величина I₀ принимает малые значения. Т⁰- текущая температура p-n-перехода, -исходное значение температуры окружающей среды, - температура удвоения теплового тока.(5⁰-6⁰С для Si, 9⁰-10⁰С для Ge, отсюда I₀ p-n-перехода из Si сильнее зависит от температуры, чем из Ge).

б) I₀ зависит от материала p-n-перехода.

()<< () (в 1000 и более раз).

       2)p-n-переход смещен в прямом направлении, если к p приложен «+», а к n – «-».

                                         

       Такое напряжение направлено встречно φ_к, а потому результирующее напряжение на p-n-переходе уменьшается до величины: U_pn= φ_к-U, это уменьшает E электрического поля, p-n-переход сужается. Возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Через p-n-переход протекает прямой ток: I_pn=I_прямой=I_диф (ток диффузии основных носителей заряда).

       При возрастании напряжения диффузионный ток резко возрастает и может достигать больших значений, поскольку он связан с основными носителями заряда, концентрация которых велика.

                                                     

      

ВАХ p- n-перехода.

       Зависимость тока через p-n-переход от напряжения на нем:I=f(U) равна:

 

                  

           

                  

       Главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. ВАХ p-n-перехода обладает выпрямительными свойствами.

       I_пр>>I_обр, что тождественно R_пр<<R_обр

 

Емкости p- n-перехода.

Способность p-n-перехода накапливать электрический заряд, свидетельствует о том, что он обладает ёмкостью. Различают две емкости p-n-перехода: диффузионную и барьерную.

 

                             

 

1.C_бар – барьерная емкость образуется неподвижными ионами примесей. Характеризуется перераспределением заряда в запертом p-n-переходе. Величина этой ёмкости зависит от U_обр на p-n-переходе. Она является преобладающей при обратном смещении:

                                          ,где , емкость при

U=0, ν=1/2-1/3, зависит от способа изготовления p-n-перехода:

 

                                          , где S_p-n – площадь p-n.

 

       2.Диффузионная ёмкость: преобладает при прямом смещении p-n-перехода и характеризуется перераспределением зарядов вблизи p-n-перехода при протекании прямого тока.

       , где τ_n- время жизни неосновных носителей заряда.

                                         

 

       С_диф>>C_бар, но на практике почти не используются, так как имеет малую добротность, поскольку параллельно ей включено сопротивление p-n-перехода смещённого в прямом направлении, величина которого мала.

 

Лекция 3.

Пробой p- n перехода.

Согласно ВАХ, I_обр=I₀ остается постоянным, не зависящим от обратного напряжения, однако при достаточно большом U_обр наблюдается резкое возрастание I_обр – это называется пробоем p - n -перехода, а напряжение, при котором это происходит, напряжением пробоя.

Пробои делятся на:

1) Тепловой.

2) Электрический, который в свою очередь делится на туннельный и лавинный (без перегрева).

                                         

 

1) Электрический пробой обратимый, т.е. после уменьшения величины обратного напряжения p-n-переход принимает свои первоначальные выпрямительные свойства.

       Лавинный пробой происходит из-за лавинного размножения неосновных носителей слабо легированных “широких” p-n-переходов. При достаточно большой напряжённости электрического поля электроны достигают скоростей, при которых выбивают из атома полупроводника валентные электроны, которые в свою очередь выбивают новые. Этот процесс происходит лавинообразно.

       Туннельный пробой происходит в сильно легированных “узких” p-n-переходах, и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов, в результате которого в объёме p-n-перехода образуется электронная дырка.

2) Тепловой пробой, необратимый, он сопровождается разогревом p-n-перехода обратным током. При повышении температуры p-n-перехода число неосновных носителей заряда возрастает. Это приводит к увеличению J_обр, что приводит к ещё большему разогреву p-n-перехода. Разрушается (расплавляется) кристаллическая решетка, электрические свойства не восстанавливаются.

 

Полупроводниковые диоды.

 

       Полупроводниковый диод – объём полупроводника с одним p-n-переходом и двумя выводами. Большинство диодов выполняются на основе несимметричных p-n-переходов. Одна из областей диода высоко легированная, называется эмиттер, другая слабо легированная – база. Несимметричный p-n-переход размещается в базе.

                   Обозначения полупроводника диода.

                  

 

ВАХ идеального диода совпадает с ВАХ p-n-перехода:

                                         

       В реальном диоде прямая и обратная ветви отличаются от идеальных. При прямом смещении необходимо учитывать объёмное сопротивление областей базы и эмиттера диода. Это приводит к тому, что ВАХ прямая ветвь смещается вправо и зависит линейно от приложенного напряжения. Обратная ветвь диода зависит от величины обратного напряжения, т.е. наблюдается рост обратного тока. Это объясняется:

1.Генерационно-рекомбинационными процессами в p-n-переходах.

2.Наличием тока утечки.

 

       ВАХ реального диода.

 

                   , где R₀ – объёмное сопротивление базы эмиттера.

 

                             

 

                                      Эквивалентная схема диода при больших                                    напряжениях.

R_б>>R_э

R_en-сопротивление поверхности

p-n-перехода между двумя областями