Инерционные свойства электронно-дырочного перехода

Электронно-дырочного переход является инерционным элемен- |ом по отношению к быстрым изменениям тока или напряжения, по­скольку новое распределение носителей заряда устанавливается не сразу. Инерционность процессов обусловлена следующими явления­ми:

1) накоплением и рассасыванием неосновных носителей заряда в оазе в процессе их инжекции или экстракции. Движение носителей в °азе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно.

-) перераспределением носителей заряда в области перехода.

Следовательно, электронно-дырочный переход наряду с прово­димостью, определяемой формулой (6.28), обладает электрической костью. Условно говоря, можно считать эту емкость подключенной параллельно р-и-переходу.

Емкость принято разделять на две составляющие: 1) днффузи- ^0|,Ную емкость, отражающую перераспределение зарядов в базе;

2) барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов ₈ переходе.

Такое разделение условно, но удобно на практике, так как соот. ношения этих емкостей различно при разных полярностях приложен, ного напряжения.

При прямом смещении главную роль играют заряды в базе, ц соответственно, диффузионная емкость.

При обратном смещении заряды в базе меняются мало, и основ, ную роль играет барьерная емкость.

Барьерная емкость обусловлена токами смещения, а диффузд. онная - токами проводимости.

6.7.1. Барьерная емкость перехода (емкость при обратном напряжении). Определим величину барьерной емкости, считая, что переход несимметричен и сосредоточен в п-базе. т.е. / = /„. Как из- вестно. внешнее напряжение меняет ширину перехода (см. 6.18):

/₀=./Т.~^г-; / = ^vr:^u а значит, и вел*

Дф₀

чину пространственных зарядов в переходе Q. Найдем заряд для ступенчатого перехода:

Q_n=qN_d'(S-l) (6.42)

1 2e₀£-Af. j2е ₀ Е • (Дф₀ — U) _ j i qN_d ' i qNj

Подставим сюда ширину перехода из (6.18) и. дифференцируя, полу­чим емкость ступенчатого перехода:

dU ^X_/()- /₀ * у |Дф„ -U\' С'»

dO S^OMot-q-Mn, При р|» Дф₀,. бар J |jy|

Первый множитель в выражении (6.43) является емкостью обычного плоского конденсатора с расстоянием между обкладками, равном равновесной ширине перехода /₀, а второй множитель пока­зывает зависимость барьерной емкости от напряжения.

Зависимость емкости от напряжения называется вольт- фарадной характеристикой (рис. 6.24). Форма вольт-фарадной харак­теристики зависит от распределения концентрации примесей в пер" ходе и выражается полуэмпирической формулой:

u Дфо

I-

(6.44)

C^(V) = C_5ap(OJ

_r e' ~ барьерная емкость при U= 0; т = 0.3....0,6.

Величина барьерной емкости лежит в пределах 5-50 пФ.

С,

1 плавный переход 2 - резкий переход

Рис. 6.2-1. Вольт-фарадная характеристика

Смещение основных носителей и изменение зарядов в обеднен­ном слое происходит за время диэлектрической релаксации т_Е =10~¹²с* (т_с - время, в течение которого восстанавливается элек­тронейтральность полупроводника после внешнего воздействия).

Если на р-н-переход подан высокочастотный (ВЧ) сигнал, пери­од которого Т» т_г, то заряд изменяется в фазе с напряжением, а ем­кость не зависит от частоты сигнала, т.е. емкость не меняется до /*10" Гц.

Емкость перехода зависит от концентрации примесей. Чем меньше концентрация примесей и. соответственно, меньше удельная Проводимость, тем меньше барьерная емкость, так как ширина пере­вода увеличивается (см. 6.14), а емкость обратно пропорциональна ^щирпне перехода.

При увеличении по модулю обратного напряжения барьерная мкость уменьшается из-за увеличения толщины обедненного слоя.

При прямом напряжении барьерная емкость увеличивается с Увеличением напряжения, что связано с зависимостью l=f(U), но ее ^в'"яние резко снижается из-за шунтирования малым сопротивлением "врытого р-н-перехода.

Г

6.7.2. Диффузионная емкость перехода. При наличии прямц_Го напряжения на р-н-переходе существуют две причины, обусловлю вающие емкость перехода. Первая: изменение зарядов в обедненное слое; вторая: изменение концентрации, а, значит, и заряда носителей инжектированных в нейтральные области вблизи перехода.

Полная емкость представляется в виде суммы двух емкостей:

При прямом напряжении переход сужается и. в соответствии _с (6.43). растет барьерная емкость, однако она оказывается менее суще­ственной, чем емкость, обусловленная возрастанием заряда в базе счет инжекции и диффузии носителей. Отсюда и название - диффу­зионная емкость.

Диффузия носителей заряда от границ перехода увеличивает полные заряды дырок (О_р) в «-области и электронов (Q_n) в

р-обласги. Диффузионная емкость заряжается как инжектированны­ми дырками, так и электронами, компенсирующими заряд инжекти­рованных дырок. Для несимметричного перехода Q_p»Q„. поэтому

С_дф определяется зарядом неосновных носителей (дырок), накоплен­ных в базе.

у_ г*^г -I

(6.47)

I ^u. exp------ 1 Фг

(6.48)

Определим величину этого заряда путем интегрирования рас­пределения избыточных дырок в базе (см. 6.25):

bP„W=PnO

Q_p(U) = q-S\&p(x)dx

Для р-н-перехода с «толстой» базой (w_i:» L_r): Q„(U) = I₀-x_p

где x_p—время жизни дырок в п-базе, /₀ — тепловой ток (6.30).

Для р-н-перехода с «тонкой» базой (w_B < L,,) вместо х_р нужно

"F _

подставить эффективное время жизни носителей в базе: х_)ф = время пролета носителей через тонкую базу при диффузионном ме- _чанизме движения. Оно зависит от скорости рекомбинации на грани­це базы, противоположной переходу.

— = — + —

Для малого синусоидального сигнала (U < ф_г) на низких часто- 1

_тах / ^<<:~ • диффузионная емкость

	_ к
{dU)	Фг		l<PrJ

(6.50)

Рис. 6.25. Зависимость емкостей перехода от напряжения

"•мЬ

(6.49)

_где к - коэффициент, зависящий от толщины базы (к = 0.5 для и'_;.» L_P\ к = I для w,j < Lj.); - постоянная составляющая сину­соидального напряжения.

Для малого синусоидального сигнала (U< ф,) на высоких час­тотах /> —, диффузионная емкость ^ уменьшается с ростом час-

^Х>Ф

готы до нуля, так как для диффузии неосновных носителей через базу необходимо время т^.ав течение малого периода Т < заряд не

успевает измениться.

При больших сигналах ((У» Ф₇,) из (6.49) следует:

^Цф _Фг ¹

В этом случае диффузионная емкость экспоненциально возрас­тает с ростом прямого напряжения и значительно превышает барьер­ную емкость.

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 (/'(В)

При малых прямых напряжениях (6.48) диффузионная емкос^ С_дф < С_йар и ею пренебрегают.

На рис. 6.19 показана зависимость емкостей перехода от напря жения.

Диффузионная емкость является функцией прямого тока (6.50) подобно тому как барьерная — функцией обратного напряжения (с.\, 6.43, 6.44).

На рис. 6.26 приведены эквивалентные схемы р-и-перехода: а) идеализированный переход, большой сигнал (U»<р,), рд_е

конденсатор С = + С^. V- безинерционный диод.

б) идеализированный переход, малый сигнал, где

^Гдиф ~

'пиф

С'

Фу

(см. 6.33);

/ + /,

в) большой сигнал, реальный переход, в котором учитывается сопротивление базы.

v

R,—

ТГ

с

Рис. 6.26. Эквивалентные схемы перехода для различных сигналов

U, (О

U (t)

11 1

Рис. 6.27.Эквивалентная схема перехода, подключенного к генератору напряжения

6.7.3. Переходные процессы в р-п-переходе. Рассмотрим р-и-переход, представленный в виде эквивалентной схемы (рис. 6.27).

л /Л

На переход от генератора, через внешний резистор R. подается _иМГ1у;,ьсное напряжение U_r(I).

1) Этап установлении прямого напряжения. Пусть в момент ремеии t\ напряжение генератора изменяется скачком от 0 до V _п (рцс.6.28, и)- На р-и-переходе появляется прямое напряжение U(t), _оТОрое со временем стремится к установившемуся значению U_m

. Ujj-Uit)

По­

R

согласно ВАХ.

Ток, протекающий через переход, равен: / =

скольку Uг\» U_т, ^ (У(/), тогда переход не влияет на силу тока и

ток изменяется скачкообразно от 0 до I _11И -.

R

Характер зависимости U(l) определяется рядом факторов: 1) значением тока /_ПР; 2) уровнем инжекции 5: 3) емкостью пе­рехода: 4) сопротивлением базы г_/;.

Рис. 6.28. Графики переходных процессов при включении перехода

Ui

'U г, v ' 1

а)

1/

у ^ПУ

г

При малом прямом токе можно пренебречь падением напряге, ния на сопротивлении базы. Напряжение U(t) плавно и монотонно

увеличивается, стремясь к U_ltl., по мере заряда С_6цр. Диффузионная емкость в этом диапазоне напряжений несущественна.

При большом прямом токе и высоком уровне инжекции над₀ учитывать падение напряжения на сопротивлении базы и модуляцию этого сопротивления.

В момент происходит скачок напряжения AU_i=J_np-r_B

(рис. 6.28, г). Далее по мере заряда емкости Qap увеличивается на­пряжение на обедненном слое и общее напряжение достигает макси­мума U_max -U_!т + 1_т, -г_Б. Этот процесс происходит за очень малое время (/ = 0.3 не) из-за большого тока 1_ир. Можно считать, что на­пряжение изменяется от 0 до U^ скачком.

Влияние диффузионной емкости при быстрых изменениях на­пряжений и токов пренебрежимо мало.

По мере накопления дырок (в силу принципа электронейтраль­ности Ал = Ар), в базе увеличивается концентрация и дырок, и элек­тронов. Это приводит к модуляции сопротивления базы (уменьшению до величины г'_Б). а следовательно, к уменьшению напряжения до ус­тановившегося значения U,_tIP=U_nEr + l_TTP'^r'в- Время спада опреде­ляется относительно медленным процессом диффузии от перехода вглубь базы.

Процессы модуляции сопротивления базы, а вместе с ним и ус­тановления прямого напряжения происходят за время, равное эффек­тивному времени жизни неосновных носителей в базе ~ 10~³ -10

2) Этап восстановления обратного сопротивления. Пусть в момент времени /₂ входное напряжение U, меняется с прямого на обратное; возникший при этом переходный процесс делится на две стадии:

1) стадию высокой обратной проводимости, длительностью т,;

2-

На первой стадии т, (интервал t₂<t<t₃) происходит скачок AI _ Цп+Рпа _{и че}р_ез р__п_ _пер_еход потечет большой обратный R

2) стадию восстановления обратного сопротивления, длительно-

стью x

тока _гоК /cww который (при U_{/ 2}»U_w,) на несколько порядков

превышает тепловой ток /₀. соответственно, велика обратная прово­димость.

0 12 3 г

.... -1>13 f......... «-Й?! Г,-•■ ".......

-*■ xJJ.p

РЛх)

Рис 6.29. Переходные процессы при переключении перехода с прямого напряжения на обратное

Идет процесс рассасывания накопленных в базе при протекании прямого тока неосновных носителей вследствие перехода их в эмит- ^теР и рекомбинации. Пока эти носители не покинут базу, обратный ^т°к. создаваемый ими. будет большим.

Скачку тока AI соответствует скачок напряжения на сопротив­лении оазы. равный AU₂ = А/ ■ г_в.

Напряжение па переходе сохраняется прямым, так как в базе у ^Раницы перехода существует избыточная концентрация неосновных ителей, соответствующая прямому смещению перехода:

(U_ е*^т -1

ЬРп = PnO

а концентрация дырок у перехода превышает

равновесную р_п > р„„.

На рис. 6.29, г показано распределение концентрации дырок в базе в различные моменты времени при w_h-» L_p.

Исходное распределение (t<t₂) соответствует стационарному режиму при протекании прямого тока.

В момент времени /,, когда на границе базы р,,(0) = р (рис. 6.29. г) и U= О (рис. 6.29. <?), заканчивается первая стадия. Кон­центрация неосновных носителей на границе перехода равна равно­весной, но в глубине базы еще имеется неравновесный заряд.

В течение первой стадии из базы удаляется большая часть избы­точного заряда неосновных носителей.

Длительность первой стадии уменьшается при увеличении об­ратного тока уменьшении эффективного времени жизни ^т „|, неос­новных носителей.

Медленное понижение напряжения в течение первой стадии можно трактовать как процесс разряда С'^ф большой величины. После снижения прямого напряжения, диффузионная емкость резко умень­шается и напряжение в самом конце этой стадии быстро уменьшается до нуля.

На второй стадии т₂ (интервал /₃</</₄) обратный ток умень­шается. все накопленные в базе дырки уходят через р-н-переход или рекомбинируют в базе, сопротивление р-н-перехода увеличивается, а напряжение становится отрицательным и стремится к (-U_Г2). Ток в это время обусловлен не только переходом оставшихся избыточных носителей из базы в эмиттер, но и перезарядом барьерной емкости.

При большом обратном токе (малое R) емкость перехода пере­заряжается быстро: при малом обратном токе (большое R) переход­ный процесс увеличивается: R' С бар • Вторая стадия заканчивается в момент tj, когда ток уменьшается до 0,1.

Процесс рассасывания накопленных носителей происходит зна­чительно медленнее процесса их накопления, поэтому именно про* цесс рассасывания определяет частотные свойства перехода.

Для уменьшения длительности переходных процессов необхо­димо снижать емкости, т.е. время жизни неосновных носителей в ба­зе Для увеличения быстродействия вводят атомы золота в качестве даушек рекомбинации.

6.8. Гетеропереходы

Гетеропереходом называется переход, образованный на границе контакта двух полупроводников (различного вида) с различной ши­риной запрещенной зоны.

Существует два типа гетеропереходов:

1) переход между полупроводниковыми областями с различным типом электропроводности (р- и л-типа);

2) переход между полупроводниковыми областями с одинако­вым типом электропроводности (либо /?-типа. либо и-типа).

Создание гетеропереходов представляет сложную задачу, так как необходимо подобрать такие материалы, в которых выполняются условия совместимости: 1) наличие одинаковых постоянных кристал­лической решетки (иначе возникают неоднородности и дислокации); 2) одинаковые температурные коэффициенты расширения.

Для создания гетеропереходов используются различные полу­проводниковые соединения: GaAs - Ge. GaP - Si. AIGaAs - GaAs, GaAsP - GaP. InP - GalnAs, ZnSe - GaAs.

Рассмотрим гетеропереход, в котором два полупроводника имеют различную ширину запрещенной зоны (А£_з|(/., < AE_j2fnj), раз­личную работу выхода (А_р>А„), различное электронное сродство, различную степень легирования (N_a <N_d) и различные диэлектриче­ские проницаемости (е_р,г_п).

На рис. 6.30 показаны энергетические диаграммы обоих полу­проводников до контакта при одном и том же уровне отсчета энергии.

При наличии контакта из-за разных работ выхода электронов происходит перераспределение носителей заряда в приконтактных °оластях и выравнивание уровня Ферми в обеих областях. Все ос- ^чьные энергетические уровни должны изогнуться. Изгибы зон ^йОДизи металлургической границы (х = 0) связаны с образованием °°едненных слоев 1_0р и /_0я, содержащих объемные заряды акцепто­ров и доноров.

/^-область (Ge)

и-область (GaAs)

Рис. 6.30. Энергетические диаграммы гетероперехода с различным типом электропроводности до и после контакта

т

Электрическое поле, обусловливающие наклон зон. терпит раз­ив на границе раздела вследствие различия энергий сродства к зпектрому и различия величин диэлектрической проницаемости е. Это обусловит и разрыв краев энергетических зон на границе раздела ^ = 0): А^с = ^Eci ~ Есг> А£_г = (£,, - Е_л)- АЕ_С. Разрыв потолка ва- пентной зоны зависит как от разности энергий сродства к электрону, _таК и от ширины запрещенных зон (рис. 6.30,а).

В результате разрывов дна зоны проводимости и потолка ва­лентной зоны высота потенциальных барьеров для электронов и ды­рок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особен­ностью гетеропереходов, которая обуславливает их специфические свойства и отличия от гомопереходов, сформированных в монокри­сталле.

В нашем случае барьер для электронов (ПБЭ) много меньше барьера для дырок (ПБД) (ф_0п «ф_0/,), поэтому доминирующими но­сителями будут электроны.

Высота потенциального барьера для электронов, движущихся из

* - ДЕ-/

и-ооласти в р-ооласть равна: ф_0п = ф₀ - у. а высота потенциаль-

/ Ч

ного барьера для дырок, движущихся из /^-области в //-область равна:

АЕ_у/ Фо,=Фо+ ^y/_q- |

К (6.51)

Ч

Значение изгибов q- ф₀₁ и 9-ф₀₂ равно внутренней разности по­тенциалов. образовавшихся в обедненных слоях. Сумма ф₀ =ф_0! + Фоз представляет контактную разность потенциалов. (Ее также можно выразить через уровни Ферми в изолированных полупроводниках. Фо = Ф_л -ф_у,₂).

Для гетеропереходов контактная разность потенциалов ф₀ не совпадает с высотой потенциального барьера, который различен для электронов и дырок.

При приложении прямого напряжения будет преобладать ин­фекция электронов из «-области, даже если р-область имеет одинако- Ую (а иногда и большую N_a>N_d) концентрацию примесей, чем п- °бласть.

Г

Таким образом можно получить коэффициент инжекц_И[) >1. т.е. одностороннюю инжекцию, даже если база (₆

Высота потенциального барьера для электронов, переходящих

области /?, в область р₂ будет:

АЕ_Г А Е_г

Фо„ = Фо| + —- + Ф02 = Фо + —- (6-52)

данном случае/^-область) легирована сильнее эмиттера. В этом пр_и„. циниальное отличие гетеропереходов от гомопереходов.

Nj>

т.е.

переход

Толщины обедненных слоев l_(lf, и /₀„ удовлетворяют тому _Же

о р

соотношению, что и для обычного перехода:

L

^+N»)² -Фр

сосредоточен в высокоомном слое /₀ =

Из-за различия по высоте потенциальных оарьсров для электро­нов и дырок, прямой ток через гетеропереход связан (в основном) с движением носителей заряда только одного знака.

Инжекция неосновных носителей заряда всегда происходит т широкозонного полупроводника в узкозонный полупроводник.

Изотипные гетеропереходы (р⁺ - р,п -п). В гетероперехо­дах, образованных полупроводниками с одним типом проводимости, выпрямление происходит без инжекции неосновных носителей заря­да.

АЕ,-

Рис. 6.31.Энергетические диаграммы изотипного гетероперехода Рассмотрим гетеропереход между полупроводниками р- р*- типа, в которых Д£з, < ДЕз₂, N_a] < N_a2 (рис. 6.31).

Pi Pi

Д

АЕп

АЕ„

Условия движения носителей заряда в р- р⁺ структуре неоди­наковы по обе стороны контакта, поэтому ВАХ - несимметрична и гетеропереход может быть использован для выпрямления.

Использование гетероперехода позволяет значительно повысить потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, переходя­щих из р_х -области в область р₂. причем он может существовать даже при N_al<N_a,. Это используется на практике для ограничения накоп­ления неосновных носителей заряда.

Поскольку в создании тока участвуют основные носители заря­да. и при переключении полярности напряжения не происходит ре­комбинации неосновных носителей, как в гомопереходах. инерцион­ность процесса переключения мала. На этих свойствах изотипных ге­теропереходов основано создание высокоскоростных переключатель­ных диодов с временем переключения менее 0,5 не.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) гетеропереходов. На ВАХ реального гетероперехода сильное влияние оказывают центры генерации-рекомбинации в обедненном слое. Их концентрация может быть велика из-за большого числа дефектов структуры вблизи метал­лургической границы, возникающих вследствие неполной согласо­ванности двух кристаллических решеток различных полупроводни­ков. В этом случае при прямом напряжении преобладает ток реком­бинации. а при обратном - ток генерации.

Ток через гетеропереход в прямом направлении экспоненциаль­но зависит от приложенного напряжения.

Дата добавления: 2015-11-26