P-N- переход как основа полупроводниковых диодов и транзисторов P-n-переход в отсутствие внешнего напряжения

 

В основе большинства полупроводниковых диодов и транзисторов лежит контакт двух полупроводников с различным типом электропроводности. Такой контакт называют электронно-дырочным переходом или p-n-переходом. Он может быть получен, например, путем диффузии донорной примеси в полупроводник p-типа. Идеализированная одномерная структура p-n-перехода изображена на рис. 2.1,а.

Включенный в электрическую цепь p-n-переход обладает односторонней проводимостью, то есть его вольтамперная характеристика нелинейна. Рассмотрим физические процессы в структуре, определяющие нелинейные свойства p-n-перехода.

Для простоты будем полагать, что концентрация легирующей примеси в областях n- и p- типа распределена равномерно, причем концентрация донорной примеси ND в n-полупроводнике значительно больше, чем концентрация акцепторной примеси NA в p- полупроводнике (ND>>NA). Назовем n-область с большей концентрацией примеси эмиттером, а p-область с меньшей концентрацией примеси - базой. Это допущение позволяет считать, что полный ток через p-n-переход определяется преимущественно электронной составляющей. Дырочная составляющая тока через p-n-переход мала и ею можно пренебречь:

i = in + ip » in.

Будем полагать, что внешние контакты к структуре ( они по своей природе должны иметь двустороннюю проводимость с очень малым сопротивлением ) удалены от контакта (сечение x0 рис. 2.1) на расстояние, значительно превышающее диффузионную длину электронов Ln в базе и дырок Lp в эмиттере. Это допущение позволяет считать, что собственно p-n-переход локализован вблизи границы x0. Обозначим границы p-n-перехода через xn и xp.

Распределение концентрации электронов вдоль оси x показано на рис. 2.1,б. Так как концентрация электронов в n-полупроводнике nn (основные носители заряда) значительно превышает концентрацию электронов в p-полупроводнике np (неосновные носители заряда), то в плоскости контакта возникает диффузия электронов из n-области в p-область. Аналогичные рассуждения приводят к диффузии дырок из p-области в n-область. Таким образом через p-n-переход протекают диффузионные потоки основных носителей заряда (ПОНЗ).

Уходя из полупроводника n-типа, электроны оставляют в приконтактной области n-полупроводника нескомпенсированный положительный неподвижный заряд ионов доноров QD+. Аналогично в приконтактной области p-полупроводника появляется равный по величине нескомпенсированный отрицательный неподвижный заряд ионов акцепторов QA-. На рисунке 2.1,б соответствующие области заштрихованы и обозначены.

Таким образом в области контакта появляется встроенное электрическое поле локализованное вблизи границы x0. Будем характеризовать его контактной разностью потенциалов jK0.

Возникшее поле препятствует движению основных носителей через переход и является причиной появления встречного дрейфового движения электронов из p-области в n-область.

Таким образом, потоки неосновных носителей заряда (ПННЗ) по своей природе являются дрейфовыми. Распределение потенциала в структуре приведено на рис. 2.1,в.

Состояние термодинамического равновесия устанавливается при равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда ПОНЗ = ПННЗ, при этом p-n-переход характеризуется следующими параметрами: контактная разность потенциалов jK0 и ширина области пространственного заряда (или ширина p-n-перехода) D0. Можно показать ,что:

; (2.1)

. (2.2)

Анализ выражений (2.1) и (2.2) показывает, что параметры перехода зависят от температуры и концентрации легирующей примеси в n и p - областях.

Увеличение температуры приводит к уменьшению контактной разности потенциалов jK0 и ширины p-n-перехода D0. Это, в первую очередь, определяется тем, что, как показано разд. 1, при высоких температурах уровни Ферми в n- и p-полупроводниках приближаются к середине запрещенной зоны, электропроводность полупроводников стремится к собственной, а, следовательно, p-n-переход исчезает (jK0®0, D0®0). В уравнениях (2.1) и (2.2) эту зависимость определяет член ni2(T).

При возрастании концентрации легирующих примесей ND и NA контактная разность потенциалов возрастает , а ширина p-n-перехода уменьшается.

Встроенное электрическое поле в p-n- переходе определяется зарядом неподвижных ионов примеси, при этом суммарный заряд структуры равен нулю: QD+ = QA, то есть

S·q·ND·Dn = S·q·NA·D p , (2.3)

где S - площадь p-n-перехода; Dn , Dp - протяженность p-n-перехода соответственно в областях n- и p-типа. Преобразуем (2.3) с учетом ND>>NA.

(2.4)

Из (2.4) следует ,что p-n-переход большей своей частью лежит в базе.

Необходимо отметить, что область p-n-перехода обеднена подвижными носителями заряда, так как любой, возникший в этой области или попавший в нее, подвижный заряд выталкивается из области перехода электрическим полем. Поэтому сопротивление p-n-перехода значительно выше, чем сопротивление n- и p- областей.

 

Подведем итог. Причиной нелинейных свойств p-n-перехода является существующее в переходе встроенное электрическое поле.

Для основных носителей заряда это поле создает потенциальный барьер, а, следовательно, величина потока основных носителей заряда через переход зависит от величин этого барьера (jK).

Для неосновных носителей заряда поле в переходе создает потенциальную яму, а, следовательно, поток неосновных носителей заряда не будет зависеть от глубины потенциальной ямы (jK): все электроны (неосновные носители), появившиеся у края потенциальной ямы, упадут в нее.

Поле в p-n-переходе можно изменить путем подачи на структуру внешнего напряжения. Если полярность внешнего напряжения направлена против поля в переходе, то тормозящее для ОНЗ поле в переходе ( или потенциальный барьер), уменьшается, и поток основных носителей заряда через p-n- переход увеличивается и значительно превышает существующий поток неосновных носителей. Такое напряжение на p-n-переходе называется прямым.

Если полярность внешнего напряжения U совпадает с полярностью контактной разности потенциалов jK0, суммарное тормозящее для ОНЗ поле в переходе возрастает, что приводит к уменьшению ПОНЗ через переход. Такое внешнее напряжение на p-n-переходе называется обратным.

Необходимо еще раз повторить, что в том и другом случае ПННЗ не зависит от глубины потенциальной ямы, а, следовательно, протекающий через p-n-переход ток неосновных носителей заряда не зависит от приложенного внешнего напряжения.









Дата добавления: 2015-08-11; просмотров: 1766; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2020 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.008 сек.