9.3. Неравновесное состояние n-p перехода. Явления инжекции и экстракции носителей заряда

Если к n-р переходу подключить источник напряжения (U), то равновесие в нем нарушается и в цепи потечет ток. При соединении плюса источника питания с р-областью, а минуса с n-областью потенциальный барьер уменьшается, внешнее электрическое поле (Е) оказывается направленным противоположно полю объемного заряда (Еопз) (прямое включение). Смена полярности вызывает увеличение потенциального барьера

(обратное включение n-р перехода) (рис. 9.4). В общем случае величина потенциального барьера определяется разностью φк − U при прямом включении U и подставляется со знаком плюс, а в обратном − минус.

При прямом включении n-р перехода увеличивается диффузионный поток основных носителей заряда, так как происходит нарушение

динамического равновесия между диффузионными и дрейфовыми составляющими полного тока:

Рис. 9.4. Зонная структура n-р перехода при прямом (а) и обратном (б)

смещении

В результате концентрация неосновных носителей в противоположной области (электронов в p-области и дырок в n-области) вблизи границ ОПЗ перехода становится больше равновесной. Вследствие конечного времени жизни дырок их рекомбинация с электронами будет происходить не сразу, и

163

поэтому в некоторой области за пределами ОПЗ концентрация дырок будет оставаться больше равновесного значения рnо.

Это явление получило название инжекции неосновных носителей заряда

и заключается в возникновении по обе стороны ОПЗ квазинейтральных (почти электронейтральных) областей с повышенной концентрацией неосновных носителей заряда. По мере движения дырок вправо за счет

диффузии их избыточная концентрация будет убывать до нуля за счет их рекомбинации с электронами. Аналогично при прямом напряжении электроны будут пересекать ОПЗ справа налево и проходить из n-области в р-область, где также их избыточная концентрация уменьшается за счет рекомбинации с дырками.

При обратном включении направления внешнего электрического поля и поля объемного заряда совпадают, что приводит к росту величины потенциального барьера, значение которого становится равным e(ϕk+U). В

этих условиях также нарушается динамическое равновесие между составляющими полного тока:

В цепи перехода начинает течь обратный ток (jоб), обусловленный дрейфовым движением неосновных носителей заряда, электронов из р- области в n-область и дырок из n-области в р-область. Количество основных носителей заряда, преодолевающих барьер, экспоненциально уменьшается.

Концентрация неосновных носителей заряда у границы перехода снижается вследствие увеличения поля объемного заряда в переходе. Выведение носителей заряда ускоряющим электрическим полем n-p перехода из области полупроводника, где они являются неосновными, называется экстракцией носителей заряда.

Количественными характеристиками этого процесса являются уровень инжекции и коэффициент инжекции.

Уровень инжекции (δ) представляет собой отношение концентрации

инжектированных избыточных неосновных носителей заряда к концентрации основных носителей в базе. Так, например, для n+-p перехода можно записать:

Коэффициент инжекции − это отношение тока носителей одного знака, инжектированных через переход, к полному току:

164

9.4.ВАХ идеализированного перехода

Вобщем случае под уравнением ВАХ понимают функциональную зависимость, которая связывает величину тока (плотности тока), текущего через переход, с приложенным к переходу внешним напряжением. Наиболее просто уравнение ВАХ n-p перехода можно получить при рассмотрении диодной теории (эту модель иногда называют моделью Шокли), которая основывается на следующих допущениях:

·в обедненном слое нет генерации, рекомбинации и рассеяния носителей; носители проходят через обедненный слой мгновенно, т.е. токи носителей одного знака на обеих границах одинаковы;

·вне обедненного слоя нет электрического поля, здесь носители движутся только вследствие диффузии; сопротивления нейтральных

областей в сравнении с сопротивлением обедненного слоя считаются пренебрежимо малыми; уровень инжекции низкий;

·границы перехода являются плоскими, носители движутся только в направлении, перпендикулярном этим границам, краевые эффекты не учитываются;

·полагается, что концентрации носителей заряда и значения электрических полей по любому сечению образца постоянные, т.е. возможно применить одномерное рассмотрение задачи.

Как было показано выше, при прямом включении перехода, за счет снижения высоты потенциального барьера, возрастают диффузионные токи электронов из n-области в p-область и дырок из p в n. При этом величины соответствующих токов могут быть определены по закону Фика:

Это выражение можно рассматривать как формулу для идеального диода, вольт-амперная характеристика которого представлена на рис. 9.5 штриховой линией.

В уравнении (9.15) величина j0 представляет собой тепловой ток неосновных носителей заряда, который не зависит от величины и полярности внешнего напряжения. Основным фактором, определяющим величину теплового тока, является температура перехода, влияющая на концентрацию носителей заряда в полупроводнике. Зависимость j0 от температуры

165

процессами генерации электронно-дырочных пар в переходе, называют током термогенерации (jg), а величину его можно определить из следующих соображений.

Процессы генерации и рекомбинации протекают во всех частях диода – как в обедненном слое, так и в нейтральных n и p областях. В равновесном состоянии скорости генерации и рекомбинации носителей заряда одинаковы, поэтому результирующие потоки носителей отсутствуют. С приложением к переходу обратного напряжения толщина обедненного слоя (d) будет возрастать и, в результате, обедненный слой будет дополнительно обедняться свободными носителями заряда. Дефицит свободных носителей заряда замедлит процессы рекомбинации в переходе, в результате равновесие сдвинется в сторону генерации. При этом избыточные генерируемые носители будут перебрасываться полем перехода в нейтральные области: дырки в n-область, а электроны в р-область. Эти потоки и образуют ток термогенерации, увеличивающий обратный тепловой ток. Таким образом,

при заданной величине обратного напряжения на переходе величина обратного тока (jоб) складывается из двух составляющих – теплового тока неосновных носителей заряда (j0) и тока термогенерации (jg):

Вклад тока генерации тем выше, чем больше ширина запрещенной зоны, величина обратного напряжения и степень легирования n и p областей и чем меньше температура, причем jg/j0 может на несколько порядков величины превышать единицу. На величину обратного тока также влияют поверхностные токи утечки, которые возникают в местах выхода n-р перехода на поверхность кристалла. Они увеличиваются с ростом напряжения и мало чувствительны к изменению температуры.

При прямом включении перехода, за счет уменьшения его толщины, генерационно-рекомбинационное равновесие сдвигается в сторону

рекомбинации и ток в прямом направлении возрастает на некоторую величину jR, которую называют током рекомбинации. С возрастанием величины прямого напряжения U относительная доля тока рекомбинации в общем прямом токе резко уменьшается. Поэтому величина jR оказывает влияние на характер прямой ветки ВАХ только на начальном участке (работа в микрорежиме).

Существенное влияние на вид ВАХ при U > φк оказывает сопротивление нейтральных областей вне области перехода. Прохождение тока через эти области создает на них падение напряжения, снижая тем самым напряжение непосредственно на переходе. Перераспределение внешнего напряжения между обедненной областью и базой приводит к изменению величины тока.

При достаточно большом прямом токе идеализированная экспоненциальная ВАХ становится более пологой.

На практике ВАХ реального перехода аппроксимируют уравнением

167

подбираемыми из условия наилучшего совпадения с экспериментальной ВАХ.

9.6.Механизмы пробоя n-р перехода

Вслучае обратного включения в реальном n-р переходе при достижении

некоторого значения обратного напряжения Uпр начинается резкое возрастание тока, приводящее к пробою перехода. Пробоем называют резкое увеличение тока через переход в области обратных напряжений, превышающих напряжение пробоя. Существует несколько физических механизмов пробоя n-р перехода:

·туннельный (зенеровский),

·лавинный,

·тепловой,

·поверхностный,

каждый из которых характеризуется напряжением пробоя (Uтп, Uлп, Uтпп) и величиной критического напряжения (U*). Параметр U* определяет границу между обратимым и необратимым пробоем. В случае, когда величина обратного напряжения, приложенного к переходу, лежит в диапазоне U [Uтп, Uлп, Uтпп…U*], пробой является обратимым и с уменьшением обратного напряжения свойства перехода восстанавливаются. При U > U* пробой является необратимым т.к. уменьшение напряжения ведет к росту обратного тока и к физическому разрушению (расплавлению) перехода.

Туннельный пробой возникает в переходах между сильно легированными областями при условии, когда ширина n-р перехода соизмерима с длиной волны де-Бройля свободных носителей. Если p и n области сильно легированы, то ширина ОПЗ становится малой и за счет

туннельного эффекта появляется конечная вероятность для электронов из валентной зоны проникнуть в зону проводимости, преодолев барьер, который возникает в сильном электрическом поле. Для туннельного эффекта характерно то, что электроны после преодоления энергии не изменяют своей энергии, следовательно, для того чтобы этот эффект имел место, электрическое поле должно быть настолько сильным, чтобы обеспечить наклон зон, при котором заполненные электронами уровни валентной зоны

находятся напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны.

Поскольку туннельный механизм перехода носителей имеет место только при малой ширине ОПЗ, то для этого типа пробоя характерны невысокие пробивные напряжения (кривая 4 на рис. 9.5). К отличительным

168

особенностям туннельного пробоя следует также отнести сравнительно слабую зависимость напряжения пробоя от температуры, так как влияние температуры на напряжение туннельного пробоя связано, в основном, с изменением ширины запрещенной зоны.

Лавинный пробой возникает в результате лавинной ударной ионизации атомов полупроводника в обедненном слое носителями заряда, ускоренными электрическим полем. Данный тип пробоя, в отличие от туннельного, преимущественно реализуется в широких n-р переходах при высоких обратных напряжениях (кривая 5 на рис. 9.5).

Характеристикой процесса лавинного пробоя является коэффициент лавинного умножения М, который равен отношению тока носителей, входящих в обедненную область, к току выхода из нее. Зависимость тока лавинного пробоя от величины обратного напряжения jпроб = f(U) достаточно сложная и в целом аналитически не описывается. Поэтому для оценки коэффициента умножения можно использовать следующую аппроксимацию:

где m − параметр, зависящий от природы полупроводника: m = 5 для кремния и германия n-типа, m = 3 для германия р-типа.

Напряжение возникновения лавинного пробоя растет с увеличением ширины запрещенной зоны полупроводника и температуры перехода.

Тепловой пробой связан с разогревом n-р перехода при прохождении обратного тока в условиях, когда тепловыделение не компенсируется теплоотводом. При увеличении обратного напряжения увеличивается и мощность, рассеиваемая в переходе в виде тепла, поэтому разогрев перехода

обратными токами в свою очередь приводит к увеличению обратного тока за счет дополнительной генерации неосновных носителей. Возрастание

обратного тока приведет к дополнительному выделению тепла и соответственно дополнительному разогреву, что явится причиной дальнейшего увеличения обратного тока. Таким образом, в n-р переходе возникает положительная обратная связь, которая приводит к возникновению тепловой неустойчивости − тепловому пробою, характерной

особенностью которого является наличие участка ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 9.5). В отличие от туннельного и лавинного пробоя, тепловой пробой приводит к практически мгновенному разрушению перехода и поэтому является необратимым.

Поверхностный пробой возникает в местах выхода n-р перехода на

поверхность кристалла и может быть связан с неравномерностью электрического поля, особенностями диэлектрических свойств среды на границе с полупроводником, наличием загрязнений на поверхности и другими факторами.

169