ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПОДАЧЕ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА. ПАРАМЕТРЫ.

Ответы к зачёту по дисциплине

«Электронные приборы»

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. ГЕНЕРАЦИЯ, РЕКОМБИНАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДОВ.

Полупроводники занимают промежуточную область между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относится большинство веществ, имеющихся в природе: это - минералы, различные окислы и сульфиды, металлы - кремний, германий и др.

Электрическая проводимость полупроводников колеблется в широком интервале: .

Все электронные полупроводники являются кристаллическими веществами с различными кристаллическими решетками и электронным видом электропроводности. В узлах решетки в правильном геометрическом порядке расположены атомы элементов.

Каждый атом, находящийся в узле кристаллической решетки, имеет определенное количество электронов. В случае твердого тела огромные количества атомов заполняют малый объем, так что взаимодействие атомов вызывает расщепление энергетических уровней электронов, в результате чего образуются энергетические зоны. Точно так же как состояния электронов в изолированном атоме ограничены дискретными энергетическими уровнями, состояния электронов в твердом теле ограничены дискретными энергетическими зонами.

Зона, которая образуется из внешних валентных уровней, называетсявалентной или заполненной зоной. Кроме валентной зоны кристалл имеет зону проводимости, которая расположена выше валентной. Эти две зоны в диэлектриках и полупроводниках разделены запрещенной зоной, т. е. зоной, в которой не может находиться ни один электрон.

Свободные носителизаряда в полупроводниках образуются в результате отрыва электронов от собственных или примесных атомов. Этот процесс называется генерацией носителей и на энергетической диаграмме представляется следующим образом:

Процессы генерации носителей заряда в полупроводнике

Генерация носителей может происходить под воздействием тепловых колебаний атомов, поглощённого электромагнитного излучения или быстрых частиц - электронов и ионов. Количественно процесс генерации характеризуетсяскоростью генерации G – числом пар заряженных частиц, создаваемых в единице объёма за единицу времени (обычно за 1 с). Размерностьили. Скорость генерации можно представить в виде суммы вкладов различных по физической природеисточников, .

Мощность парциальных источников определяются внешними факторами – температурой, энергиями частиц и фотонов и плотностями их потоков. По крайней мере, один из источников – тепловая генерация – действует постоянно, однако опыт показывает, что концентрации носителей остаются при данных условиях постоянными. Это указывает на существование процесса, обратного генерации – рекомбинации носителей.

Рекомбинация состоит в исчезновении пары свободных носителей и образовании заполненной химической связи между собственными атомами. Она может происходить по двум механизмам.

Свободные носители – электрон и дырка – в процессе хаотического теплового движения могут оказаться столь близко друг от друга, что кулоновское притяжение не позволит им разойтись вновь, и они сольются с образованием нейтральной химической связи. Такая рекомбинация называетсямежзонной.

Вероятность межзонной рекомбинации тем выше, чем больше концентрации и электронов, и дырок. Количественно она характеризуется скоростью межзонной рекомбинации - числом пар электрон-дырка, рекомбинирующих в единице объёма за одну секунду. Размерность её такая же, как и у скорости генерации.

Второй механизм рекомбинации действует через посредника – примесный атом, отличный от легирующих примесей. Посредник служитловушкой– он захватывает свободный носитель одного типа, который является неосновным в данном полупроводнике,и удерживает его некоторое время.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПОДАЧЕ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА. ПАРАМЕТРЫ.

При подаче на p-n-переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности. Внешнее напряжение, подключенное плюсом к р-области (рис. 2.2, а), а минусом к n-области, называют прямым напряжением (U_пр).

Напряжение U_пр почти полностью падает на p-n-переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р- и n-областей.

Полярность внешнего напряжения (U_nр) противоположна полярности контактной разности потенциалов (U_к), поэтому электрическое поле, созданное на p-n-переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на p-n-переходе (рис. 2.2, б):j = U_к – U_nр.

Рис. 2.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении: а – схема включения; б – потенциальный барьер

Теоретическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) электронно-дырочного перехода выражается следующим уравнением (уравнение Эберса-Молла):

I_пр=I_диф−I_др=I_S(e^U^/φт−1),

где I_S – ток насыщения (ток дрейфа неосновных носителей),

φ_т=kT/q — тепловой потенциал,

U — напряжение на переходе.

Однако приведенное уравнение весьма приблизительно совпадает с реальными вольт-амперными характеристиками, так как не учитывает целого ряда физических процессов, происходящих в полупроводниках.

К таким процессам относятся:

генерация и рекомбинация носителей в запирающем слое,

поверхностные утечки тока,

падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей,

явления теплового, лавинного и туннельного пробоев.

Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в запирающем слое для некоторых типов полупроводников (например, для кремния) могут оказывать существенное влияние на вид ВАХ. В отсутствие внешнего напряжения между процессами генерации и рекомбинации устанавливается равновесие. При приложении к переходу обратного напряжения дырки и электроны, образующиеся в результате генерации, выводятся полем запирающего слоя. Это приводит к появлению дополнительного тока генерации, совпадающего с обратным током перехода. Величина такого тока существенно зависит от параметров полупроводника и концентрации примесей (при увеличении концентрации примесей ток генерации растет) и может превысить значение тока насыщения, став основной составляющей обратного тока.

С увеличением обратного напряжения растет ширина запирающего слоя (пропорционально , соответственно растет число генерируемых в нем носителей и увеличивается ток генерации. Поэтому на реальной ВАХ при увеличении обратного напряжения наблюдается постепенный рост обратного тока вплоть до начала проявления процессов пробоя. Возрастанию обратного тока способствуют также токи утечки.

Если ток протекающий через переход незначителен, то падением напряжения на сопротивлении нейтральных областей можно пренебречь. Однако при увеличении тока этот процесс оказывает все большее влияние на ВАХ прибора, т.е. его реальная характеристика идет под меньшим углом и вырождается в прямую линию, когда напряжение на запирающем слое становится равным контактной разности потенциалов.

При некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем перехода. Существует три вида пробоев: туннельный, лавинный и тепловой (рис. 1.2-2). Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.

Рис. 1.2-2. Реальная вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 334; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!