Вентильные свойства полупроводников

Вентильные свойства полупроводниковым приборам обеспечивает электронно-дырочный переход или р-п-переход, часто называемый за­порным слоем. Электронно-дырочный переход образуется на границе контакта двух полупроводниковых материалов с разными типами элек­тропроводности.

Механизм этого явления можно представить следующим обра­зом.

Допустим, что в одном полупроводниковом кристалле объедине­ны две области: одна с электронной проводимостью — «-область, другая с дырочной — р-область (рис. 8.10). Электроны для «-области и дырки для /^-области являются основными носителями заряда, ко­торые возникают вследствие ионизации атомов донорной и акцеп­торной примеси соответственно. При не слишком низких темпера­турах атомы этих примесей ионизированы практически полностью; поэтому концентрацию электронов в «-области можно считать равной концентрации донорных атомов, а концентрацию дырок в р- области — концентрации акцепторных атомов. В результате контак­тирования этих двух областей в едином кристалле под действием те-

/7-тип (	Л;5П(	, и-тип
ё%ё	©! ©	м> А":

диф

'------------- ii ^

е &в;©! © ®

10 0j<

диф

диф

Рис. 8.10. Распределение носителей заряда при контакте полупроводников с р- и я-типами электропроводности:

а — /ья-переход при U= 0; б — р-п- переход «открыт» U > 0; в — /?-л-переход «заперт» U < 0

10*

пловой диффузии часть электронов перейдет из я-области в р-об­ласть и, наоборот, часть дырок из /^-области перейдет в я-область. Электроны, перешедшие из я- в р-область, рекомбинируют вблизи границы раздела этих областей с дырками р-области. Точно так же дырки, перешедшие из р- в я-область, рекомбинируют здесь с элек­тронами этой области. В результате в приграничном слое я-области практически не остается свободных электронов, и в нем формирует­ся неподвижный объемный положительный заряд ионизированных донорных атомов шириной Ъ_п. Аналогично в приграничном слое р- области формируется неподвижный объемный отрицательный заряд ионизированных акцепторных атомов шириной Эти два объем­ных заряда образуют область пространственного заряда (ОПЗ), ширина которого 5 = + 8„. В ОПЗ концентрация свободных элек­тронов и дырок ничтожно мала, поэтому ОПЗ имеет высокое элек­трическое сопротивление. Разность напряжения между р- и я-облас­тями называют контактной разностью потенциалов U_K. Между этими объемными зарядами возникает электрическое поле, называе­мое диффузионным; его напряженность направлена от я-области к р-области. Диффузионное электрическое поле, достигнув некото­рой величины, будет препятствовать дальнейшей диффузии основ­ных носителей заряда; образуется запорный слой (р-я-переход) (см. рис. 8.10, а), высота потенциального барьера которого равна qU_K. Ширина /7-я-перехода у различных полупроводниковых приборов изменяется от 1 до 10 мкм.

Если теперь к /?-я-переходу приложить напряжение, направление которого противоположно направлению диффузионного поля, то суммарная напряженность поля в /ья-переходе уменьшится, что приведет к снижению высоты его потенциального барьера. Запор­ный слой заполнится носителями заряда, и р-п-переход будет «от­крыт» (см. рис. 8.10, б) и через него потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током /_прям. Приложенное напряжение в данном случае называют прямым напряжением £/_прям и его считают положительным. Прямой ток обусловлен движением основных но­сителей заряда, которые будут иметь наибольшую энергию, а сле­довательно, смогут преодолеть потенциальный барьер и проник­нуть в соседние области: электроны из я- в р-область и дырки из р- в я-область, где они рекомбинируют. Основные носители заряда, пре­одолевшие понизившийся потенциальный барьер и пройдя р-п-пе­реход, оказываются в соседней области неосновными носителями заряда.

Таким образом, через р-п-переход происходит инжекция неос­новных носителей заряда в области, примыкающие к /?-я-переходу. Область, в которую инжектируют неосновные носители заряда, называют базой полупроводникового прибора. С увеличением {/_прям суммарная напряженность поля в /7-я-переходе и глубина проникно­вения этого поля в р- и я-области уменьшаются. В результате толщи­на /7-я-перехода (ширина ОПЗ) становится меньше.

Если направления приложенного и диффузионного полей совпа­дают, то /7-л-переход окажется «заперт» (см. рис. 8.10, в) и через него прямой ток не пройдет, так как основные носители заряда не могут преодолеть повысившийся потенциальный барьер и перейти в сосед­ние области: электроны из п- в р-область и дырки из р- в ^-область. Происходит это потому, что объемные заряды, образованные иони­зированными атомами акцепторов и доноров, смещаются на боль­шое расстояние друг от друга, и величина потенциального барьера р- п-перехода возрастает. Принцип абсолютно односторонней про­водимости относится к идеальным полупроводникам. В реальных полупроводниках п- и р-области, кроме основных носителей за­ряда, содержатся и неосновные носители заряда: «-область — дырки и /^-область — электроны, концентрация которых очень мала (при­мерно на шесть десятичных порядка ниже, чем концентрация основ­ных носителей). Поэтому если основные носители заряда не могут преодолеть повысившийся потенциальный барьер /ья-перехода (см. рис. 8.10, в), то для неосновных носителей заряда потенциаль­ный барьер в /?-л-переходе вообще отсутствует. Неосновные носите­ли заряда — электроны из /ьобласти и дырки из «-области, подойдя к /?-л-переходу, диффузионным полем втягиваются и переносятся через р-н-переход в соседние области, где они становятся основными носителями заряда. Происходит так называемая экстракция носите­лей заряда. За счет экстракции неосновных носителей при запертом /?-л-переходе через него течет очень малый по величине обратный ток /_об. Приложенное напряжение в данном случае называют обрат­ным напряжением {7_об и его считают отрицательным. Величина /_об примерно в 5-Ю⁸ меньше, чем /_прям. Следовательно, /?-я-переход обла­дает практически односторонней (униполярной) проводимостью, проявляя высокие выпрямляющие свойства. С увеличением U_o6 сум­марная напряженность электрического поля в /?-я-переходе возраста­ет, в результате чего увеличивается толщина 5 /7-я-перехода (ширина ОПЗ).

Величина потенциального барьера образовавшегося р-п-перехо­да, как было показано выше, зависит от напряженности и направ­ленности приложенного электрического поля, концентрации приме­сей, температуры и ширины 33 полупроводника. С увеличением концентрации примесей в р- и «-областях и понижением температу­ры высота потенциального барьера /?-я-перехода возрастает. При од­ной и той же концентрации примесей в р- и «-областях высота по­тенциального барьера больше в /ья-переходах, образовавшихся в полупроводниках с более широкой запрещенной зоной.

Создать электронно-дырочный переход в результате механиче­ского контакта двух полупроводников с различными типами элек­тропроводности невозможно. На практике /ья-переходы получают путем введения в полупроводник донорной и акцепторной примесей таким образом, чтобы одна часть полупроводника приобрела элек­тронную проводимость, а другая — дырочную.

Свойства /?-л-перехода положены в основу принципа действия большого числа полупроводниковых приборов, например, диодов, транзисторов, стабилитронов, варикапов. В свою очередь, основные характеристики /?-я-перехода и режим работы прибора в целом опре­деляются природой исходного полупроводникового материала степе­нью его чистоты, природой и концентрацией акцепторной и донор- ной примесей. Такие полупроводниковые приборы работоспособны только в области температуры, которая соответствует примесной электропроводности. Появление собственной электропроводности при высокой температуре приводит к нарушению нормальной рабо­ты прибора. Поэтому максимально допустимая температура полу­проводникового прибора в первую очередь определяется шириной 33 исходного полупроводникового материала. Использование мате­риала с большой шириной 33 позволяет увеличивать максимально допустимую температуру прибора и, кроме того, — максимально до­пустимую удельную мощность рассеяния. Последнее, в свою оче­редь, позволяет уменьшить размеры прибора или размеры теплоот- водящих радиаторов.

Электронно-дырочный переход имеет минимальную концентрацию свободных электронов и дырок и, следовательно, представляет собой диэлектрическую прослойку, расположенную между двумя областями, имеющими свободные заряды. Поэтому р-п-переход можно предста­вить как электрический конденсатор, обкладками которого являются его границы, а диэлектриком — <9/73.

Систему, служащую полупроводниковым конденсатором с электрически управляемой емкостью, называют варикапом. Емко­стью варикапа является барьерная емкость С_бар /?-я-перехода; она связана с формированием потенциального барьера /?-я-перехода и определяется аналогично емкости плоского конденсатора с ди­электриком:

С_вар=С=е₀е5/8, (8.19)

где S — площадь /?-я-перехода; 8 — ширина ОПЗ.

В отличие от плоского конденсатора с диэлектриком у варикапа величина 8 и, следовательно, С_бар зависят от приложенного напряже­ния. При увеличении обратного напряжения С_бар нелинейно снижа­ется (рис. 8.11, а, б).

Барьерная емкость /ья-перехода обусловлена током смещения /_см (см. гл. 3.1), который, в свою очередь, вызван деформационными ви­дами поляризации (см. гл. 2.3). Ток смещения связан с изменением неподвижных объемных зарядов (шириной ОПЗ), образованных ио­низированными атомами акцепторов и доноров, и возникает под действием напряжения, изменяющегося во времени, например пере­менного напряжения.

Если к полупроводнику с /?-л-переходом приложить обратное на­пряжение, то в р- и «-областях образуется электрическое поле, под действием которого возникнет ток смещения /_см. Ток смещения свя-

20 0 1 2

40 20 0

Рис. 8.11. Общий вид: а— зависимости С р-п-перехода от U_o6и £/_Прям^: б ~~ Qap (i/об) рабочей области варикапа (а и б построены для Д901В);в —изменений объемного заряда и ширины ОПЗ при изменении U_o6 на /ья-переходе

HQ] [dQl

в

a

зан со смещением (оттоком) основных носителей заряда от р-п-пере­хода в сторону контактов полупроводника с источником тока: элек­троны сместятся от /?-я-перехода вправо (к «+»), а дырки — влево (к «—»)(рис. 8.10, в). Отток основных носителей заряда от границ р-п -перехода приведет к образованию новых слоев из ионизирован­ных атомов акцепторов и доноров. В результате ширина 8 р-п-пере­хода увеличится. Если обратное напряжение в р-п-переходе изме­нить на величину dU, то отток основных носителей заряда от границ р-п -перехода приведет к его расширению влево и вправо на равные величины db_p и ^соответственно(рис. 8.11, в). При этом неподвиж­ный объемный отрицательный заряд на левой границе ОПЗ изме­нится на величину dQ (в результате расширения р-п-перехода слева на величину d5_p). На такую же величину изменится неподвижный объемный положительный заряд на правой границе ОПЗ (см. рис. 8.11, в). Эти изменения неподвижных объемных зарядов, образую­щих ОПЗ, и приведут к изменению барьерной емкости С_бар:

С_бар = [dQ/dU\.

Следовательно, при увеличении обратного напряжения U^ барьер­ная емкость С_бар уменьшается, так как происходит отток основных но­сителей заряда от /?-л-перехода и ширина 8 ОПЗ увеличивается (см. (8.20). При уменьшении U^ основные носители заряда станут подте­кать к /7-л-переходу и ширина 8 ОПЗ начнет уменьшаться, стремясь к своему исходному положению, а С_бар будет увеличиваться. Для даль­нейшего уменьшения ОПЗ (увеличения С_бар) нужно приложить £/_прям и его увеличивать. Таким образом, заряжая или разряжая ОПЗ /?-я-пере­хода, можно регулировать барьерную емкость — емкость варикапа.

(8.20)

Емкость /ья-перехода определяется не только барьерной емко­стью С_бар, но и диффузионной емкостью С_диф. Диффузионная емкость проявляется при изменении прямого напряжения U_nmM, имеет высо­кие значения (см. рис. 8.11, я) и связана с изменением заряда инжек­
тированных неосновных носителей. В результате инжекции неоснов­ных носителей заряда через р-п-переход в областях, прилегающих к р-п -переходу, на короткое время (Ю^-11—10~¹² с) возрастает их кон­центрация (электронов в /^-области и дырок в я-области) и, следова­тельно, возрастает заряд, создаваемый неосновными носителями. Увеличение на короткое время заряда неосновных носителей и обуслов­ливает диффузионную емкость. Для компенсации заряда этих инжек­тированных неосновных носителей из внутренних объемов р- и п- областей к границам /?-я-перехода устремляются основные носители заряда. Поэтому эти области не заряжаются — остаются квазинейт­ральными, так как инжектированные неосновные носители и ком­пенсирующие их основные носители заряда не исчезают и присутст­вуют совместно. Следовательно, если прямое напряжение, приложенное к полупроводнику с р-п переходом, изменить на вели­чину dU, то заряд инжектированных неосновных носителей изме­нится на величину ^0_ИНЖ и С_диф будет равна

Сд„ ф= [dQ»»JdU\.

В формулах (8.20) и (8.21) взяты абсолютные значения отношений, так как объемный и инжектированный заряды могут стать положительными и отрицательными.

Диффузионная емкость зависит от величины /_прям и времени жизни т инжектированных неосновных носителей заряда. С увеличе­нием /_прям и т С_диф возрастет. Чем больше время жизни инжектиро­ванных носителей, тем дольше они будут нарушать нейтральность полупроводника, создавать больший заряд и тем соответственно больше будет С_диф. Диффузионная емкость при U_o6, превышающем примерно 0,5 В, практически равна нулю. Поэтому при запертом р- п-переходе проявляется только С_бар.

Таким образом, в зависимости от направления приложенного электрического поля емкость р-п-перехода будет определяться барь­ерной или диффузионной емкостью, которые соответственно равны

(8.22)

где N* — приведенная концентрация примесей [N* = Л^ДДЛ^ + 7У_Д)]; N_an N_r — концентрация акцепторной и донорной примеси соответ­ственно; S — площадь /ья-перехода; 1_Н — ток насыщения (обратный ток /_об неизменяющийся с изменением £/_об); т — время жизни неос­новных носителей.

(8.21)

Хотя в (8.22) под корнем стоит разность U_K - U, однако ее отрицатель­ные значения не имеют физического смысла. При обратном напряжении U < 0, поэтому подкоренное выражение всегда положительно. При прямом напряжении U > 0, но оно не может превзойти U_K, так как при £/—> U_K р-п- переход исчезает.

Дата добавления: 2015-08-09