Вольт-амперная характеристика p-n перехода

Зависимость тока через p-n переход от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) электронно-дырочного перехода. Она имеет вид

I = I₀ [exp (U/j_T) – 1],

где I₀ – обратный ток насыщения при |–U| >> j_T.

На рисунке 2.3 приведена ВАХ p-n перехода при различных масштабах по осям для положительных (миллиамперы) и отрицательных (микроамперы) значений токов.

При увеличениипрямого напряжения U_пр прямой ток I_пр увеличивается по экспоненте, так как с увеличением U_пр снижается потенциальный барьер и увеличивается диффузия основных носителей.

Величина обратного тока сильно зависит от температуры (на графике Т₂ > Т₁), причем при |U_обр| >> j_T ток I₀ не зависит от обратного напряжения, а обусловлен концентрацией неосновных носителей заряда.

 

2.5 Основные параметры p-n перехода

2.5.1 Характеристические сопротивления:

а) сопротивление по постоянному току (рисунок 2.4,а)

R = U/I = j_T ln(I/I₀+1)/I = (j_T / I) ln(I/I₀+1);

R_A=U₁/I₁, R_B=U₂/I₂;

 

б) сопротивление по переменному току r_д или дифференциальное сопротивление (рисунок 2.4,б)

r_д = dU/dI=d[j_T ln(I/I₀+1)]/dI=(j_T× I₀) / [(I+I₀)I₀]=j_T / (I+I₀)» j_T/I;

r_дA = dU₁ / dI₁ = DU₁/DI₁ ;

r_дB = dU₂ / dI₂ = DU₂/DI₂ .

 

2.5.2 Ёмкости p-n перехода

Различают барьерную и диффузионную емкости p-n перехода:

а) барьерная (зарядная) ёмкостьC_бар обусловлена наличием зарядов (положительных и отрицательных ионов) в запирающем слое в условиях равновесия и при обратном смещении перехода, т.е. отражает перераспределение зарядов в переходе ,

где e - диэлектрическая проницаемость полупроводника;

e₀ – диэлектрическая проницаемость в вакууме;

S – площадь перехода;

l – ширина перехода;

j_к – высота потенциального барьера.

С увеличением U_обр барьерная емкость уменьшается пропорционально . Величина барьерной емкости равна десяткам и сотням пикофарад;

б) диффузионная ёмкость С_диф обусловлена изменением зарядов в переходе за счёт инжекции основных носителей при прямом смещении (отражает перераспределение зарядов вблизи перехода)

С_диф = (q/kT)I_прt = I_прt /j_Т,

где I_пр – прямой ток;

t– время жизни носителей;

j _Т - температурный потенциал.

 

2.5.3 Температурная зависимость обратного тока

Тепловой обратный ток I_0t зависит от температуры, так как при нагреве полупроводника увеличивается генерация неосновных носителей, при этом тепловой ток удваивается при нагреве на 8 ºС у германиевых приборов или на 10ºС – у кремниевых приборов

I_0t = I₀ e^aDt,

где I₀ – тепловой ток при начальной температуре;

Dt – приращение температуры;

a - температурный коэффициент тока, a = 0,08 1/º С.

 

2.6 Пробой p-n перехода

Под пробоем понимают резкое уменьшение обратного сопротивления и резкое возрастание обратного тока при незначительном увеличении напряжения. Различают два вида пробоя:

а) тепловой – в результате недостаточного теплоотвода, когда рассеиваемая мощность на переходе больше мощности отводимой. Пробой необратим, прибор выходит из строя;

б) электрический пробой связан с увеличением напряженности в запирающем слое.

Электрический пробой подразделяется на два вида:

а) лавинный пробой заключается в размножении носителей в сильном электрическом поле за счёт ударной ионизации. Имеет место в широких переходах.

Ток I=I₀∙M,

здесь M – коэффициент ударной ионизации или размножения;

М=1/[1-(U_обр/U_м)ⁿ],

где U_м – напряжение лавинного пробоя;

n = 3 – 5 в зависимости от материала;

б) туннельный пробой (зенеровский) развивается в узких переходах. В полупроводниках с высокой концентрацией примеси под действием напряженности поля возникает туннельный эффект, т.е. просачивание электронов сквозь потенциальный барьер (если толщина барьера мала) без затраты дополнительной энергии. Туннельный эффект возможен при обратном и небольшом прямом напряжениях, пока дно зоны проводимости ниже потолка валентной зоны.

2.7 Эквивалентная схема p-n перехода

На рисунке 2.5 представлена эквивалентная схема p-n -перехода.

Здесь R – омическое сопротивление полупроводника; r_д – дифференциальное сопротивление; C_бар – барьерная ёмкость; C_диф – диффузионная ёмкость p-n перехода.

 

 

2.8 Методы изготовления p-n перехода

2.8.1 Метод сплавления:

а) плоскостной (рисунок 2.6,а).

На пластинку nGe помещается таблетка индия (In) и подвергается термообработке при 850^оС. Получается германий p -типа с резким переходом с большой площадью и большой барьерной емкостью С_бар. Рабочие частоты низкие;

б) точечный (рисунок 2.6,б).

На пластинку nGe помещается индий (In) в виде иглы, пропускается импульс тока, расплавляется кончик иглы и получается точечный переход. Площадь перехода и барьерная емкость малы, рабочая частота высокая.

 

2.8.2 Метод диффузии

Осуществляется диффузия атомов примеси из газообразной, жидкой фазы в полупроводник. Концентрация примеси плавно уменьшается по экспоненте.

 

2.8.3 Метод эпитаксиального наращивания

Поочередно наращиваются плёнки с нужным типом проводимости.

2.9 Другие виды переходов

2.9.1 Контакт металла с полупроводником

Различают выпрямляющий и невыпрямляющий контакт. Вид контакта определяется соотношением работ выхода из металла (j_Ме) и полупроводника (j_п). Работа выхода из твердого тела – это работа, которую необходимо затратить для перевода электрона с уровня Ферми в вакуум.

Рассмотрим для случая n -полупроводников:

а) при j_Ме > j_п за счет разности работ выхода j_Ме – j_n = j_Mn создается контактная разность потенциалов. Электроны переходят из полупроводника в металл. Металл заряжается отрицательно за счет электронов, а в полупроводнике в приконтактном слое создается положительный объемный заряд доноров – область, обедненная носителями заряда, т.е. запирающий слой. Он обладает повышенным сопротивлением, определяющим сопротивление всей системы. Этот контакт называется барьером Шоттки.

Если к металлу приложить плюс (рисунок 2.7), а к n -полупроводнику – минус, электроны в n -полупроводнике движутся к переходу, потенциальный барьер j_К уменьшается.

Если же изменить полярность приложенного напряжения, электроны будут двигаться от перехода, потенциальный барьер j_К увеличивается. Т.е. контакт обладает односторонней проводимостью. Такой контакт выполняется методом напыления металла на полупроводник в вакууме;

б) при j_Ме < j_n электроны переходят из металла в полупроводник. В приконтактном слое полупроводника увеличивается концентрация электронов, т.е. слой обогащается носителями заряда, и сопротивление его понижается. Общее сопротивление системы определяется сопротивлением нейтрального слоя полупроводника и не зависит от величины и полярности приложенного напряжения. Контакт называется невыпрямляющим или омическим.

Омические контакты нужны для соединения полупроводника с внешними токоведущими частями. Основные требования, предъявляемые к ним:

а) отсутствие инжекции;

б) отсутствие эффекта выпрямления;

в) минимальное падение напряжения;

г) линейная вольт-амперная характеристика.

Для изготовления контакта используют сложную структуру, состоящую из слоев: полупроводника с низким уровнем легирования, полупроводника с высоким уровнем легирования и металла. Причём металл выбирается так, чтобы контакт имел минимальную контактную разность потенциалов j_к. Но и при больших j_к могут отсутствовать выпрямления, так как из-за высокой концентрации и малой ширины перехода носители туннелируют.

 

2.9.2 Гетеропереходы образуются двумя полупроводниками с различной шириной запрещённой зоны. Например, германий – арсенид галлия, арсенид галлия – мышьяковидный индий, германий – индий.

При равновесии I_ПЕР = 0. Так как потенциальные барьеры для электронов и дырок различны, то прямое смещение обеспечивает эффективную инжекцию дырок из полупроводника с большей шириной запрещённой зоны. Эта особенность инжекции в гетеропереходе (сверхинжекция) делает его эффективным инжектором.