Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции - Физические основы электроники (ФОЭ) - файл 1.doc


Лекции - Физические основы электроники (ФОЭ)
скачать (11333 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc11333kb.17.11.2011 00:16скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9
Реклама MarketGid:
Загрузка...
^

Рисунок 5.13 – Включение pn – перехода в обратном направлении



При обратном включении минус источника подключаются к p – области, а плюс – к n – области. Силовые линии полей совпадают по направлению, а по этому высота потенциального барьера увеличивается.

U=Unр+Uобр.

Основные носители будут дрейфовать в глубь областей от p – n – перехода. Ширина запирающего слоя увеличится, увеличится его сопротивление, что приводит к уменьшению диффузионной составляющей через переход Iдиф → 0.

Для неосновных носителей ускоряющее действие поля увеличится, они захватываются этим полем и переносятся через переход. Этот процесс переноса неосновных носителей через обратно смещенный переход в область ПП, где они становятся основными носителями, называется экстракцией.

Iобр=Iдиф-Iт  Iдр

Дрейфовый ток, создается неосновными носителями, а их концентрация зависит от температуры, по этому этот ток называется тепловым током. Так как если T0=CONST, то количество неосновных носителей постоянно и мало, по этому от Vобр тепловой ток почти не зависит, и его еще называют током насыщения.

Вывод:

  1. при прямом включении p – n – перехода протекает ток, значение которого будет увеличиваться по экспоненциальному закону с повышением Uпр. Значение тока определяется сопротивлением областей (а оно мало), поэтому значение тока может достигать значений: mA, A, кA;

  2. при обратном смещении перехода, тормозящее действие увеличивается, сопротивление перехода возрастает, через переход протекает незначительный обратный ток  Iт;

  3. кристалл ПП с p – n – переходом обладает односторонней проводимостью. Широко используется для изготовления ПП диодов, транзисторов и др;

4) значение обратного тока зависит от типа вещества, из которого делают p – n – переход.


Тема 5.4 Вольт амперные характеристики и p-n модель


5.4.1 Модель p-n , ВАХ




Рисунок 5.14 – Эквивалентная схема ПП диода


где R0 – суммарное сопротивление n и p – областей и контактов (небольшое).

Rнл – нелинейное сопротивление, значение которого зависит от полярности приложенного напряжения. При прямом Rнл = Rпр и мало, а при обратном Rнл = Rобр и велико.

Св – емкость между выводами областей.

Сдиф – диффузионная емкость.

Сб – барьерная емкость.

L – индуктивность, создаваемая выводами от перехода.

p-n – переход при Uобр подобен конденсатору с емкостью Сбарьерная.

Сб = Qобр/Uобр

Для переменного U - Сб = ∆Qобр/∆Uобр.

В зависимости от площади перехода значение Сб может быть от единиц до сотен пикофарад и подобно нелинейной емкости, т.к. изменяется с изменением Uобр.

Сб вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как она шунтирует p-n – переход и через Сб с повышением частоты протекает ток.

Сдиф проявляется при прямом включении, она также нелинейная и возрастает при увеличении Uпр

Сдиф = Qдиф/Uпр

Сдиф значительно больше барьерной и влияет на коэффициент передачи на нижних частотах.


^ 5.4.2 Вольт – амперная характеристика

Вольт - амперная характеристика реального p-n – перехода при Uвнешнее=0. В реальных условиях в запирающем слое происходит генерация и рекомбинация пар носителей, которые разделяются электрическим полем перехода так, что электроны переходят в n-область, а дырки в р-область, создавая дополнительную составляющую обратного тока, называемую генерационным током Iген. По своей природе он, как и I0 является тепловым, различие лишь в том, что I0 создается неосновными носителями, а образовавшиеся пары будут основными носителями. В состоянии равновесия Iген уравновешивается рекомбинационным током Iрек. Некоторые основные носители, вошедшие в обедненный слой, но не имеющие достаточной энергии для преодоления барьера, могут быть захвачены ловушками и рекомбинировать с носителями, приходящими таким же образом из другой области. Рекомбинация в самом переходе означает появление дополнительного тока Iген. В состоянии равновесия Iген = Iрек и ток через p-n – переход равен нулю.



Рисунок 5.15 – Токи через обедненный слой


Что произойдет при включении p-n – перехода в обратном направлении? Потенциальный барьер возрастает и ток основных носителей прекращается, поэтому исчезает рекомбинационный ток, а ток генерации – возрастает, так как расширяется обедненный слой.

При прямом включении произойдет сужение обедненного слоя, поэтому Iген уменьшается, а ток Iрек увеличивается из-за увеличения потока основных носителей через переход.

На рисунке 5.15 штриховой линией показана ВАХ идеализированного p-n – перехода.

I0 – тепловой ток является важным параметром p-n – перехода. Его значение пропорционально равновесной концентрации неосновных носителей в нейтральных областях.

I0 – сильно снижается с ростом ширины запрещенной зоны и увеличения концентрации носителей.

^ Пробой p-n- перехода. Существуют виды электрического пробоя: лавинный, туннельный, тепловой, поверхностный.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией атомов кристаллической решетки в обедненном слое при обратном включении.

При Uобр ток создается дрейфовым движением неосновных носителей, приходящих из нейтральных областей. Эти носители ускоряются в обедненном слое, приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральными атомом ПП произвести их ионизацию, т.е. появляются пары электрон-дырка. Вновь образовавшиеся носители будут ускоряться полем и вызывают дополнительную ионизацию и при определенном значении Uобр = Uпробив процесс становится лавинообразным, что приводит к резкому увеличению обратного тока.

Значение Uобр зависит от ширины запирающего слоя, чем шире, тем Uпробоя больше, так как необходимо сообщить большую энергию носителям.

Uобр зависит от температуры и типа полупроводника. Для p-n – переходов, сделанных на базе кремния Uпробив возрастает с повышением температуры, так как уменьшается длина свободного пробега носителей и для сообщения носителям необходимой энергии требуется большая напряженность.

^ Туннельный пробой. Возникает, когда напряженность поля в обедненном слое возрастает настолько (Е ≥ В/м), что проявляется туннельный эффект – переход электронов сквозь барьер без изменения энергии. Эффект наблюдается в узких переходах (порядка мкм), а для этого нужна большая концентрация примеси (более ) Туннельный эффект возникает как при прямом так и при обратном включении.

При Uобр возникает эффект за счет перехода валентных электронов из валентной зоны р-области без изменения энергии на свободный уровень в зону проводимости n-области.

С повышением температуры U пробоя уменьшается (отрицательный коэффициент) из-за некоторого уменьшения ширины запрещенной зоны (высоты барьера).

Экспериментально установлено, что при концентрации примеси (менее ) напряжение лавинного пробоя ниже, чем туннельного, т.е. будет лавинный пробой.

Для высоких концентраций (более ) напряжение лавинного пробоя выше, чем туннельного, и происходит туннельный пробой.

При средних концентрациях носителей крутизна ВАХ обратной ветви с туннельным пробоем меньше, чем при лавинном. Пробой объсняется обоими механизмами и механизм преобладания определяется по знаку температурного коэффициента.

Тепловой пробой происходит за счет обратного тока, так как протекая через переход выделяется мощность виде тепла, которая вызывает разогрев p-n – перехода и прилегающих к нему областей ПП и дальнейший рост тока.

Отводимая мощность за счет теплопроводности и последующего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву p-n – перехода.

Ротвода = (Т – Токр)/Rт,

где Т-Токр – разность температур перехода Т и Т окружающей среды

Rт – тепловое сопротивление участка переход – окружающая среда.

После включения, через некоторое время, устанавливается тепловое равновесие – баланс мощностей выделяемой и отводимой.

При нарушении баланса наступает пробой, что приводит к разрушению p-n – перехода, за счет перегрева.

Поверхностный пробой (ток утечки) возникает из-за загрязнений поверхности ПП и наличия поверхностных зарядов между p-n – областями, что приводит образованию токопроводящие пленки и каналы. Iутечки увеличивается с увеличением Uобр и может превысить тепловой ток (I0) и ток генерации (Iген)

Для уменьшения Iутечки применяют защитные покрытия. От температуры Iутечки зависит слабо.

^ Зависимость прямого тока диода от материала и площади перехода.



Рисунок 5.16 – Зависимость прямого тока от материала и площади перехода


С увеличением площади (S) прямой ток возрастает, характеристика тока идет круче. Начальный участок прямой ветви ВАХ зависит от материала. Для кремниевых диодов характерен более резкий переход от пологого начального участка к области, где проявляются особенности высокого уровня инжекции. В германиевых диодах омический участок более крутой, так как подвижность носителей в германии значительно выше, чем в кремнии.

^ Изменение ВАХ при изменении температуры. Обратный ток зависит от материала – у германиевых начальный ток больше, чем у кремниевых, так как у кремниевых ток определяется в основном процессами рекомбинации носителей в переходе, который преобладает над процессами тепловой генерации. С увеличением температуры токи увеличиваются согласно соотношению:

I0(T) = I0(T0)eαΔTz,

где αSi = 0,13 K-1;

αGe = 0,09 K-1;

ΔT = T – T0, T0 = 300 K.

Прямая ветвь характеристик сдвигается влево и становится более крутой. Но сдвиг незначительный. Для оценки температурной зависимости прямой ветви используют величину ε – температурный коэффициент напряжения (ТКН). ε = ΔU/ΔT и показывают изменение прямого напряжения (ΔU) за счет изменения ΔТ = 10С, при некотором значении прямого тока. Для германиевых и кремниевых диодов ε = -2 мВ/0С.



Рисунок 5.17 – Зависимость токов при изменении температуры


Из графиков видно, что в германиевых диодах с ростом температуры Uобр = Uпроб уменьшается, а у кремниевых диодов возрастает. Значение обратного тока возрастает примерно в 2 раза на каждые 100С у диодов сделанных на базе германия. Если изменить температуру с 200С до 700С, то ток обратный возрастает в 32 раза. У кремниевых диодов ток увеличивается примерно в 3 раза.


^ 5.4.3 Физические процессы в контактах ПП с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы), металл - ПП

Особенность квантоворазмерных структур: фотопроводимость, фотогальванический эффект, эффект Холла. Контакты ПП - металл. Структура и свойства контактов металл-полупроводник зависят в первую очередь от взаимного расположения уровней Ферми в том и другом слое. На рисунке 5.10 вверху показаны зонные диаграммы разделенных слоев, а внизу - зонные диаграммы соответствующих контактов (после «соприкосновения» слоев и установления равновесия).



а – контакт с полупроводником р-типа; б - контакт с полупроводником n-типа


Рисунок 5.18 – Зонные диаграммы выпрямляющих контактов металла с полупроводником


^ Выпрямляющие контакты. На рисунке 5.18,а показаны зонные диаграммы для случая, когда φFm > φFp. Такое соотношение означает, что заполненность зоны проводимости в полупроводнике меньше, чем заполненность такого же энергетического участка в металле. Поэтому после «соприкосновения» слоев часть электронов перейдет из металла в полупроводник р-типа. Появление дополнительных электронов в приповерхностном слое полупроводника приводит к усиленной рекомбинации. В результате уменьшается количество основных носителей - дырок, и вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные отрицательные ионы акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Энергетические уровни оказываются искривленными «вниз».

На рисунке 5.18, б показаны зонные диаграммы для случая φFm < φFn, когда после соприкосновения слоев электроны переходят из полупроводника n-типа в металл. Соответственно вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные положительные ионы доноров, а зоны искривляются «вверх».

Область искривления зон (т.е. область объемных зарядов) в обоих случаях имеет протяженность, обычно до-0,2 мкм.

Контакты такого рода в настоящее время создаются напылением металла на полупроводник в вакууме.

Обмен электронами между металлом и полупроводником обычно характеризуют не разностью «исходных» уровней Ферми, а разностью работ выхода. Работой выхода электрона из твердого тела называют энергию, необходимую для вылета за пределы кристалла (т.е. для термоэмиссии). На зонных диаграммах работа выхода есть энергетическое «расстояние» между уровнем свободного электрона вне твердого тела и уровнем Ферми. На рисунке 5.18 работы выхода из металла и из полупроводника обозначены соответственно через φM и φS. Разность работ выхода φMS = φM – φS выраженную в вольтах, называют контактной разностью потенциалов.

В зависимости от соотношения работ выхода φM и φS электроны переходят в тот или иной слой. Если φM < φS (т.е. φMS < 0), то электроны переходят из металла в полупроводник (рисунок 5.18, а), если же φM > φS (т.е. φMS > 0), то электроны переходят из полупроводника в металл (рисунок 5.18, б).

Степень искривления энергетических зон вблизи поверхности (рисунок 5.18) характеризуется величиной равновесного поверхностного потенциала φS0. Если пренебречь ролью поверхностных состояний, то величина φS0 будет равна контактной разности потенциалов φMS.

Оба контакта, показанные на рисунке 5.18, характерны наличием обедненных слоев в приконтактном слое полупроводника. Здесь концентрация основных носителей меньше по сравнению с равновесной, сохранившейся вдали от контакта. Следовательно, такой приконтактный слой обладает повышенным удельным сопротивлением и поэтому определяет сопротивление всей системы.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота φS0 является аналогом величины Δ φ0 в р-n-переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения потенциал φS и соответственно сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

Так, если напряжение приложено плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то потенциальный барьер в контакте на рисунок 5.18, а повышается. Тогда приконтактный слой еще больше обедняется основными носителями - дырками и, следовательно, будет иметь повышенное сопротивление по сравнению с равновесным. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта обратным. В контакте на рисунке 5.18, б при той же полярности напряжения потенциальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается основными носителями - электронами и его сопротивление будет меньше равновесного. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта прямым.

Таким образом контакты, показанные на рисунке 5.18, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шоттки, называют диодами Шоттки.

Вариантом выпрямляющих контактов является контакт, в котором вблизи границы с металлом образуется инверсионный слой, т.е. слой с противоположным типом проводимости.

Зонная диаграмма контакта, содержащего инверсионный р-слой, показана на рисунке 5.19. Этот случай характерен для сильного искривления зон, т.е. для больших контактных разностей потенциалов φMS, когда вблизи границы уровень электростатического потенциала пересекает уровень Ферми. Толщина инверсионного слоя, как уже отмечалось, не превышает 1-2 нм.



Рисунок 5.19 – Зонная диаграмма контакта, при котором образуется инверсионный слой


^ Диоды Шоттки. Важнейшей особенностью диодов Шоттки по сравнению c p-n-переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей. Эти диоды, как говорят, работают на основных носителях. Отсюда следует, что у диодов Шоттки отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе. Отсутствие диффузионной емкости существенно повышает быстродействие диодов при изменениях токов и напряжений, в том числе при переключениях с прямого направления на обратное и с обратного на прямое. Время таких переключений определяется только барьерной емкостью и у диодов с малой площадью может составлять десятые и сотые доли наносекунды. Соответствующие рабочие частоты лежат в пределах 3-15 ГГц.

Не менее важной особенностью диодов Шоттки является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на p-n-переходе. Это объясняется тем, что ВАХ у диодов Шоттки описывается, также что и у диодов p-n-переходом, но тепловой ток существенно больше, поскольку диффузионная скорость D/L, характерная для р-n-перехода, у диода Шоттки заменяется на среднюю тепловую скорость носителей υT. Последняя превышает величину D/L примерно на 3 порядка. В таком же отношении различаются и тепловые токи. Тогда следует, что прямое напряжение у диодов Шоттки будет примерно на 0,2 В меньше, чем p-n-перехода. Типичным для диодов Шоттки являются прямые напряжения 0,4 В. Что касается обратных токов, то они могут составлять, в зависимости от площади, до 10-11 - 10-12 А, т.е. близки к реальным обратным токам кремниевых р-n-переходов, определяемым термогенерацией.

Еще одна особенность диодов Шоттки состоит в том, что их прямая ВАХ строго подчиняется экспоненциальному закону в очень широком диапазоне токов - на протяжении нескольких декад, например, от 10-12 до 10-4 А. Отсюда следует возможность использовать в качестве прецизионных логарифмических элементов.

Качественные барьеры Шоттки образуются в кремнии при контакте с: молибденем, золотом, нихромом, платиной, алюминием.


5.4.4 Гетеропереходы

Гетеропереходом называется переход, образованный между двумя различными полупроводниками. Если полупроводники имеют одинаковый тип проводимости, то они образуют изотипный гетеропереход. Если тип проводимости полупроводников различный, то получается анизотипный гетеропереход. Применение: в качестве инжекционных лазеров, работающих при комнатной температуре, светодиодов, фотодетекторов, также на их основе созданы сверхрешётки (это многослойные структуры с толщиной 80-100А или с периодическим изменением уровня легирования полупроводника).

Полупроводник с различной шириной запрещённой зоны: германий-кремний, германий-арсенид галлия, арсенид галлия-фосфид галлия и др.

Переходы возможны не только как переходы между полупроводниками p- и n-типа, но также и между полупроводниками с одним типом проводимости: p+-p или n+-n.



Рисунок 5.20 – Энергетические диаграммы исходных полупроводников


На энергетической диаграмме гетеропереходы между полупроводником n-типа с широкой запрещённой зоной и полупроводника p-типа с узкой зоной в переходном состоянии.

За начало отчёта энергии (нуль) принята энергия электрона, находящегося в вакууме. А1 и А2 работа выхода электрона от уровня Ферма, а x1 и x2 – истинные работы выхода из полупроводника в вакуум, называемые электронным сродством полупроводника (от границы зоны проводимости).

При создании контакта между двумя полупроводниками уровни Ферма совмещаются (выравниваются), что приводит к разрыву в зоне проводимости WC и в валентной зоне WV (рисунок 5.20 б).

В зоне проводимости величина разрыва обусловлена разностью истинных работ выхода электронов из p- и n-полупроводников Wc = x1 – x2 , а в валентной зоне кроме этого – ещё и неравенством значений энергии Wv. Поэтому потенциальные барьеры для для электронов и дырок будут различными: потенциальный барьер для электронов в зоне проводимости меньше, чем для дырок в валентной зоне.

При подаче прямого напряжения потенциальный барьер для электронов уменьшается, и электроны из n-полупроводника инжектируются в p-полупроводник.

Потенциальный барьер для дырок в p-области также уменьшается, но всё же остаётся достаточно большим, так что инжекция дырок из p-области в n-область практически отсутствует.

Это является важным преимуществом гетеропереходов по отношению к гомопереходам (ранее рассмотренных). В гомопереходах инжекция возникает за счёт разности концентраций основных носителей в областях (Na >> Ng). Во многих приборах эта разница должна быть как можно больше.

Но существует технический предел увеличения примеси в полупроводнике Na, а также приводит к появлению большого числа дефектов, ухудшающих параметры p-n-перехода.

Гетеропереходы позволяют исключить эти недостатки и получить одностороннюю инжекцию носителей даже при одинаковой концентрации примесей в областях, но для этого требуется создавать бездефектные границы областей.

Особенности транзистора на гетеропереходах:

- высокая эффективность эмиттера;

- уменьшается сопротивление базы;

- меньше вытеснение тока эмиттера;

-улучшается переходная характеристика из-за высокого коэффициента по току (350);

-расширенный температурный диапазон может работать при высоких температурах (350) и низких (вплоть до гелиевых (4к)).


^ 5.4.5 Люминесценция полупроводников

Под люминесценцией понимают электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Для этого используют ПП с шириной запрещенной зоны (арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния). Для возникновения люминесценции в П необходимо вывести атомы из термодинамического равновесия, т.е. возбудить их. Для этого используют различные способы:

-электрическим полем;

-бомбардировкой ПП электронами;

-освещением.

Излучение квантов света (фотонов) происходит за счет перехода электрона на более низкий энергетический уровень при межзонной рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек. Частный случай люминесценции является электролюминесценция. На ее основе работают излучатели, которые преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения заданного спектра.


^ 5.4.6 Фотопроводимость полупроводников

Электропроводность ПП увеличивается под действием электромагнитного излучения. Если энергия фотона равна или больше ширины запрещенной зоны (hf ≥∆Wз), то совершаются переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости, что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). Возникает собственная проводимость ПП.

Если ПП содержит примеси, то фотопроводимость может возникнуть при hf ≤∆Wз. Для ПП с донорной примесью фотон должен обладать энергией hf ≥∆Wд, а с акцепторной - hf ≥∆Wа.

При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости ПП с n – проводимостью или из валентной зоны на акцепторные примеси, если кристалл p – проводимости.

В результате добавляется примесная фотопроводимость.

Каждый материал ПП характеризуется красной границей фотопроводимости, где максимальную длину волны, при которой возможна фотопроводимость.

λ0 = ch /∆W – для собственного ПП и приходится на видимую область спектра.

λ0 = ch /∆Wn – для примесного ПП и приходится на инфракрасную.

^ Фоторезистивный эффект. Изменение электрической проводимости ПП под действием света. При Ф=0 ПП обладает начальной проводимостью σ0 = е (ni μn + pi μp).

Под воздействием света в ПП генерируют избыточные носители и проводимость определяется:

σф = е(∆ni μn + ∆pi μp)

Полная проводимость:

σ = σ0 + σф

^ Полупроводниковые Болометры. Предназначен для измерения мощности лучистой энергии, для регистрации распределения энергии в инфракрасных спектрах.

Это термосопротивление состоит из тонких пленок, поверхность которых имеет прямоугольную форму, чувствительность их на порядок выше металлических.

Он состоит из двух пленок, одна из которых работает в качестве приемника энергии излучения, а другая – компенсирует изменения температуры окружающей среды. Он включается в мостовую схему.

Для излучения «дрейфа» механически моделирует измеряемое излучение, а затем усиливает сигнал с частотой модуляции.

Порог чувствительности Вт.

Минимальная мощность, регистрируемая болометром, равна Вт, что соответствует изменению температуры меньше градуса, при этом выходной сигнал моста меньше 1 мкв.


^ 5.4.7 Эффект Холла

В 1879г. американский физик Холл обнаружил явление возникновения ЭДС в пластине полупроводника, эту ЭДС назвали эффектом Холла.

Если пропустить через пластину ПП электрический ток ( как показано на рисунке 5.21) по направлению оси Х, а затем создать магнитное поле Ну перпендикулярное направлению тока, то на противоположных гранях (по оси Z) появиться ЭДС Холла.


1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (11333 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru