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

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

а - потенціальна діаграма; б - структура ЕДП

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).

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 DW).

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=25⁰С та U_R=-1Вмаємо I_R=10^-9А; 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.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Електронно-дірковий перехід без зовнішнього електричного поля	\|	Вольт-амперна характеристика ідеалізованого р-п-переходу

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.