Инжекция неосновных носителей. Диффузионная и зарядная емкости

Инжекцией называется процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область, где эти носители являются неосновными. Вследствие рекомбинации инжектированных носителей с основными, для данной области, их концентрация убывает по мере удаления от p-n перехода (рис. 9), поэтому инжектированнные носители обладают ограниченным временем жизни t.

В тех местах, где находятся не успевшие рекомбинировать инжектированные носители, условие p n > n²_i не выполняется. Возникает неравновесное состояние, а инжектирован-ные носители носят название неравновесных.

На рис.9 показано примерное распределение концентрации неравновесных носителей (заштриховано). Для случая бесконечно тонкого и несимметричного p-nперехода (p_p>>n_n)

,(1.16)

где – концентрация дырок в n-области на границе с p-областью при инжекции;

– концентрация неравновесных носителей на границе;

– концентрация дырок в глубине n-области;

L_p – диффузионная длина пробега дырок в n-области. Она равна расстоянию, на котором концентрация дырок, инжектируемых в n-облaсть, убывает вследствие рекомбинации в e раз:

, (1.17)

где – коэффициент диффузии;

t_p – время жизни.

Все сказанное относится и к инжекции электронов.

Инжекция неосновных носителей не приводит к нарушению электронейтральности областей, куда они вводятся, поскольку из внешней цепи поступают дополнительные носители, компенсирующие возможный избыток (цепочка рекомбинаций).

При протекании через переход прямого тока около перехода в p- и n-областях происходит накопление неравновесных носителей. Они образуют пространственные заряды соответствующих знаков. Эти заряды притягивают и удерживают пространственные заряды обратных знаков, создаваемые основными носителями этих областей.

Увеличение прямого напряжения приведет к увеличению концентрации неравновесных и индуцированных зарядов. Это эквивалентно наличию некоторой емкости, получившей название диффузионной.

Изменение напряжения на p-nпереходе DUвызывает приращение диффузионного тока, а это приводит к увеличению концентрации неравновесных и индуцированных зарядов DQ.

Если быстро сменить полярность внешнего источника, то в начальный момент во внешней цепи появится значительный обратный ток, обусловленный процессом рассасывания неравновесных носителей заряда. Затем обратный ток станет равным I₀.Это аналогично разряду диффузионной емкости. Ее перезарядки не происходит, поскольку при отсутствии тока диффузии эта емкость исчезает. Для несимметричного p-nперехода (p_p >> n_n) эта емкость равна

.(1.18)

При t_p = 5 мкс; I_pдиф = 10 мА;C_диф » 2 мкФ.

Область пространственного заряда p-n перехода имеет двойной электрический слой: из положительно заряженных доноров и отрицательно заряженных акцепторов. Этот слой образует зарядную емкость

_, (1.19)

где e – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла;

e₀ – диэлектрическая постоянная;

S _p-n – площадь перехода;

d _p-n – ширина запирающего слоя.

Зависимость этой емкости от внешнего напряжения

, (1.20)

где – зарядная емкость p-nперехода при U = 0. При прямом смещенииширина p-n перехода уменьшается, C_заррастет. При обратном – наоборот. При прямом смещении C_зар < C _диф, при обратном – C_зар >> C_диф»0.

1.4. Пробой p-n перехода

При превышении допустимых значений напряжений и токов происходит пробой p-n перехода. Различают электрический и тепловой пробой.

Электрический пробой обусловлен тем, что в сильно легированном полупроводнике критическая напряженность электрического поля приводит к увеличению числа пар носителей заряда и росту обратного тока. Электрический пробой бывает лавинным и туннельным.

Лавинный является следствием ударной ионизации атомов кристалла. Носители заряда, попавшие в область пространственного заряда p-n перехода, под действием сильного электрического поля приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристалла. Этот пробой возникает в p-n переходах, толщина которых больше средней длины свободного пробега носителей между их очередными столкновениями с узлами кристаллической решетки. Наблюдается при обратных напряжениях больше 15 В.

Тепловой пробой p-nперехода возникает в результате нарушения равновесия между выделяемым в переходе и отводимым от него теплом. С ростом обратного напряжения и тока растет выделяемая мощность и температура перехода. От этого растет обратный ток и еще больше растет мощность. Далее происходит лавинообразный рост температуры, локальный разогрев, расплавление и переход разрушается необратимо.

ГЛАВА 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ