- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ЧАСТЬ I. ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 1. Эмиссионная электроника
- •1.2. Эмиссионная электроника
- •1.2.1. Термоэлектронная эмиссия
- •1.2.2. Термоэлектронная эмиссия с поверхности полупроводников
- •1.2.3. Термокатоды
- •1.2.4. Фотоэлектронная эмиссия
- •1.2.5. Вторичная электронная эмиссия
- •1.2.6. Автоэлектронная эмиссия
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Движение электронов в вакууме в режиме объемного заряда. Электровакуумные приборы
- •2.1. Диоды
- •2.2. Триоды
- •2.3. Многоэлектродные лампы
- •2.4. Особенности многоэлектродных ламп различного назначения
- •2.5. Генераторные и модуляторные лампы
- •2.6. Электровакуумные приборы диапазона сверхвысоких частот
- •2.6.1. Особенности движения электронов в СВЧ полях
- •2.6.2. Клистроны – приборы с динамическим управлением электронным потоком и резонансными системами
- •2.6.3. Лампы бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ)
- •2.6.4. Лампы со скрещенными полями
- •2.6.5. Усилитель на ЛБВ типа М
- •2.6.6. Генератор на ЛОВ типа М замкнутой конструкции (карсинотрон)
- •2.6.7. Магнетроны
- •2.6.8. Статический режим работы магнетрона
- •2.6.9. Динамический режим работы магнетрона
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Электронная оптика. Электронно-лучевые приборы
- •3.1. Электронные линзы
- •3.2. Электростатические линзы
- •3.2.1. Диафрагма с круглым отверстием
- •3.2.2. Иммерсионная линза
- •3.2.3. Одиночная линза
- •3.2.4. Иммерсионный объектив
- •3.3. Магнитные линзы
- •3.4. Аберрации электронных линз
- •3.5. Электронно-оптические системы (ЭОС) электронно-лучевых приборов
- •3.6. Отклоняющие системы
- •3.6.1. Электростатическое отклонение электронных пучков
- •3.6.2. Магнитное отклонение электронных пучков
- •3.7. Некоторые особенности электронной оптики интенсивных пучков
- •3.8. Приемные электронно-лучевые трубки
- •3.9. Проекционные ЭЛТ и системы
- •3.10. Запоминающие электронно-лучевые трубки
- •3.11. Передающие электронно-лучевые трубки
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ II. ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 4. Элементарные процессы в плазме
- •4.1. Введение
- •4.2. Упругие соударения электронов с атомами и молекулами газа
- •4.3. Неупругие соударения электронов с атомами и молекулами
- •4.3.1. Возбуждение
- •4.3.2. Ионизация
- •4.3.3. Ступенчатые процессы при возбуждении и ионизации молекул электронным ударом
- •4.3.4. Образование и разрушение отрицательных ионов
- •4.3.5. Диссоциация молекул
- •4.3.6. Рекомбинация
- •4.4. Движение электронов и ионов в газе
- •4.4.1. Дрейфовое движение электронов и ионов
- •4.4.2. Диффузия заряженных частиц в условиях разряда
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Основные виды электрического разряда в газе
- •5.1. Классификация разрядов
- •5.2. Несамостоятельный газовый разряд
- •5.3. Условие развития самостоятельного разряда. Пробой разрядного промежутка
- •5.3.1. Тлеющий разряд
- •5.3.2. Количественная теория катодной области тлеющего разряда
- •5.3.3. Дуговой разряд
- •5.3.4. Искровой разряд
- •5.3.5. Коронный разряд
- •5.3.6. Высокочастотные разряды
- •5.3.7. Разряды на сверхвысоких частотах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Газоразрядная плазма
- •6.1. Основные понятия
- •6.2. Диагностика плазмы
- •6.2.1. Метод зондов Лангмюра
- •6.2.2. Оптические методы исследования плазмы
- •6.2.3. Сверхвысокочастотные методы диагностики плазмы
- •6.3. Теории газоразрядной плазмы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Газоразрядные приборы
- •7.1. Приборы тлеющего разряда
- •7.1.1. Световые индикаторы
- •7.1.2. Стабилитроны тлеющего разряда
- •7.1.3. Вентили (газотроны) тлеющего разряда
- •7.1.4. Тиратроны тлеющего разряда
- •7.1.5. Переключаемые световые индикаторы
- •7.2.1. Газоразрядные источники света
- •7.3. Ионизационные камеры и счетчики излучений
- •7.3.1. Ионизационные камеры
- •7.3.2. Пропорциональные счетчики
- •7.3.3. Счетчики Гейгера
- •7.4. Разрядники антенных переключателей
- •7.5. Газоразрядные индикаторные панели
- •7.6. Газоразрядные знаковые индикаторы (монодисплеи)
- •7.6.1. ГИП постоянного тока
- •7.6.2. ГИП переменного тока
- •7.6.3. Получение полутоновых изображений на ГИП
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ III. ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •8.1. Концентрация носителей заряда в полупроводниках
- •8.2. Электропроводность полупроводников
- •8.3. Диффузионное движение носителей заряда в полупроводниках
- •8.4. Неравновесные носители заряда в полупроводниках
- •8.5. Поверхностные явления в полупроводниках
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Электрические переходы
- •9.1. Структура и основные параметры n-p перехода
- •9.2. Равновесное состояние n-p перехода
- •9.3. Неравновесное состояние n-p перехода. Явления инжекции и экстракции носителей заряда
- •9.4. ВАХ идеализированного перехода
- •9.5. ВАХ реального n-p перехода
- •9.7. Емкостные свойства n-p перехода
- •9.8. Контакт металл-полупроводник
- •9.9. Гетеропереходы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Полупроводниковые диоды
- •10.1. Выпрямительные диоды
- •10.2. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды
- •10.3. Импульсные диоды
- •10.4. Стабилитроны
- •10.5. Полупроводниковые управляемые емкости (варикапы)
- •10.6. Туннельные и обращенные диоды
- •10.7. Диоды Шотки
- •10.8. Диоды Ганна
- •10.9. Лавинно-пролетные диоды
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Биполярные транзисторы
- •11.1. Классификация биполярных транзисторов
- •11.2. Физические процессы в транзисторе
- •11.3. Распределение токов в транзисторе
- •11.4. Эффект модуляции ширины базы
- •11.5. Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора
- •11.6. Частотные характеристики биполярного транзистора
- •Контрольные вопросы
- •Глава 12. Тиристоры
- •12.1. Классификация тиристоров
- •12.2. Распределение токов в тиристоре
- •12.3. Особенности работы управляемых тиристоров
- •12.4. Тиристор с симметричной ВАХ
- •Контрольные вопросы
- •Глава 13. Униполярные полупроводниковые приборы
- •13.1. Классификация и основные особенности
- •13.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
- •13.4. Дифференциальные параметры МДП-транзистора
- •13.5. Принцип работы полевого транзистора с управляющим n-p переходом
- •13.6. Частотные характеристики МДП-танзисторов
- •13.7. Сравнительная характеристика МДП и биполярного транзистора
- •13.8. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
- •Контрольные вопросы
- •Глава 14. Светоизлучающие и фотоэлектронные полупроводниковые приборы
- •14.1. Светоизлучающие полупроводниковые приборы
- •14.1.1. Светодиоды
- •14.2. Фотоэлектронные полупроводниковые приборы
- •14.2.1. Поглощение оптического излучения полупроводниками
- •14.2.2. Фоторезистивный эффект и приборы на его основе
- •14.2.3. Фотоэлектрический эффект в n-р переходе
- •14.2.4. Фототранзисторы и фототиристоры
- •14.2.5. Оптоэлектронные пары
- •Контрольные вопросы
- •Глава 15. Полупроводниковые датчики
- •15.1. Датчики температуры
- •15.2. Датчики деформации
- •15.3. Датчики магнитного поля
- •Контрольные вопросы
- •Глава 16. Основы квантовой электроники
- •16.2. Физические основы взаимодействия излучения с веществом
- •16.2.1. Форма и ширина спектральной линии
- •16.3. Устройство и принципы работы лазеров
- •16.3.1. Рабочее вещество
- •16.3.2. Создание инверсии
- •16.3.3. Условия создания инверсной населенности
- •16.3.4. Двухуровневая система
- •16.3.5. Трехуровневые системы
- •16.3.6. Четырехуровневая система
- •16.3.7. Оптические резонаторы
- •16.3.8. Условия самовозбуждения и насыщения усиления
- •16.4. Свойства лазерного излучения
- •16.4.1. Монохроматичность
- •16.4.2. Когерентность
- •16.4.3. Поляризация излучения
- •16.4.4. Направленность и возможность фокусирования излучения
- •16.4.5. Яркость и мощность излучения
- •16.5. Типы лазеров
- •16.5.1. Твердотельные лазеры
- •16.5.2. Рубиновый лазер
- •16.5.3. Неодимовый стеклянный лазер
- •16.5.4. Nd – ИАГ – лазеры
- •16.5.5. Газовые лазеры
- •16.5.6. Атомные лазеры
- •16.5.7. Лазеры на парах металлов
- •16.5.8. Ионные лазеры
- •16.5.9. Молекулярные лазеры
- •16.5.10. Эксимерные лазеры
- •16.5.11. Газовые лазеры в инфракрасной области спектра
- •16.5.12. Химические лазеры
- •16.5.13. Газодинамические лазеры
- •16.5.14. Электроионизационные лазеры
- •16.5.15. Полупроводниковые лазеры
- •16.5.16. Жидкостные лазеры
- •Контрольные вопросы
- •Глава 17. Основы оптоэлектроники
- •17.1. Этапы и перспективы развития оптической электроники
- •17.2. Источники излучения для оптоэлектроники
- •17.3. Фотоэлектронные приемники излучения
- •17.4. Модуляция лазерного излучения
- •17.4.1. Физические основы модуляции лазерного излучения
- •17.4.2. Оптические модуляторы
- •17.4.3. Дефлекторы
- •17.5.1. Элементная база ВОЛС
- •17.5.2. Классификация ВОЛС
- •17.6. Оптические методы запоминания и хранения информации. Оптические (лазерные) диски
- •17.7. Голографические системы хранения и обработки информации
- •17.7.1. Принцип голографии
- •17.7.2. Голографическое запоминающее устройство
- •17.7.3. Голографические схемы записи и считывания информации
- •17.8. Системы отображения информации
- •17.8.1. Особенности зрительного восприятия информации
- •17.8.2. Физические эффекты, используемые для отображения информации
- •17.8.3. Жидкокристаллические индикаторы
- •17.8.4. Жидкокристаллические индикаторные панели
- •17.9. Электролюминесцентные индикаторы
- •17.10. Дисплеи с полевой (автоэлектронной) эмиссией
- •17.11. Отражающие дисплеи (электронная бумага)
- •17.12. Системы отображения информации на основе полупроводниковых светодиодов
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ V. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ, МИКРО И НАНОЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 18. Предмет микроэлектроники
- •18.1. Основные термины и определения
- •18.2. Классификация ИМС
- •18.2.1. Плёночные ИМС
- •18.2.2. Гибридные ИС
- •18.2.3. Полупроводниковые ИМС
- •18.2.4. Совмещенные ИМС
- •18.3. Система обозначений ИМС
- •Контрольные вопросы
- •Глава 19. Биполярные структуры в микроэлектронике
- •19.1. Транзисторы с изоляцией на основе n-p перехода
- •19.2. Транзисторы с диэлектрической изоляцией
- •19.3. Транзисторы с комбинированной изоляцией
- •19.4. Транзисторы типа p–n–p
- •19.5. Многоэмиттерные транзисторы
- •19.6. Многоколлекторные транзисторы
- •19.7. Транзисторы с диодом Шотки
- •19.8. Интегральные диоды и стабилитроны
- •Контрольные вопросы
- •Глава 20. Униполярные структуры в микроэлектронике
- •20.1.1. МДП–транзистор с алюминиевым затвором
- •20.1.3. Конструкция Д–МДП–транзисторов
- •20.1.4. Комплементарные микроэлектронные структуры
- •20.2.1. Пороговое напряжение
- •20.2.2. Вольт-амперные характеристики
- •20.4. Принцип действия МЕП-транзистора
- •20.5. Элементы полупроводниковых постоянных запоминающих устройств (ПЗУ)
- •20.5.1. МНОП-транзистор
- •20.5.3. Двухзатворный МДП–транзистор
- •Контрольные вопросы
- •Глава 21. Микроэлектроника субмикронных СБИС
- •21.2. Методы улучшения характеристик субмикронных МДП-транзисторов
- •21.2.1. Ореол
- •21.2.2. Ретроградное распределение
- •21.2.3. Подзатворный диэлектрик
- •21.2.4. Области стока и истока
- •21.2.5. Напряженный кремний
- •21.3. Субмикронные МДП-транзисторы на диэлектрических подложках
- •21.3.1. Структуры «кремний на изоляторе»
- •21.3.2. Cтруктура «кремний ни на чём»
- •21.4.1. Транзисторы с двойным и с окольцовывающим затвором
- •21.4.2. Транзисторы с вертикальным каналом
- •21.5. Особенности субмикронных транзисторов для аналоговых применений
- •Контрольные вопросы
- •Глава 22. Гетероструктуры в микроэлектронике
- •22.1. Основные свойства гетероперехода
- •22.1.1. Сверхинжекция неравновесных носителей заряда в гетеропереходе
- •22.1.2. Понятие о двухмерном электронном газе
- •22.2. Гетероструктурные полевые транзисторы
- •22.2.1. Транзистор с высокой подвижностью электронов (НЕМТ)
- •22.2.2. Псевдоморфные и метаморфные структуры (р-НЕМТ и m-НЕМТ)
- •22.2.3. НЕМТ на подложках из GaN
- •22.3. Гетеропереходные биполярные транзисторы
- •22.4. Интегральные микросхемы на гетеропереходных полевых транзисторах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 23. Пассивные элементы ИМС
- •23.1. Полупроводниковые резисторы
- •23.2. Плёночные резисторы
- •23.3. Конденсаторы и индуктивные элементы
- •23.4. Коммутационные соединения
- •23.4.1. Задержка распространения сигнала
- •23.4.2. Электороимграция
- •Контрольные вопросы
- •Глава 24. Функциональная электроника
- •24.1. Пьезоэлектроника
- •24.2. Оптоэлектроника
- •24.3. Акустоэлектроника
- •24.4. Магнитоэлектроника
- •24.5. Криоэлектроника
- •24.6. Хемотроника
- •24.7. Молекулярная и биоэлектроника
- •24.8. Приборы с зарядовой связью
- •24.9. Диэлектрическя электроника
- •24.10. Приборы на основе аморфных материалов
- •Глава 25. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
- •25.1. Квантовые основы наноэлектроники
- •25.1.1. Квантовое ограничение
- •25.1.2. Интерференционные эффекты
- •25.1.3. Туннелирование
- •25.3. Квантовые транзисторы
- •25.4. Нанотрубки в электронике
- •25.5. Графеновые транзисторы (спинтроника)
- •25.6. Молекулярная электроника
- •25.6.1. Квантовые компьютеры
- •25.7. Заключение
- •Список рекомендуемой литературы
- •CПРАВОЧНЫЙ РАЗДЕЛ
- •Содержание
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:
jnдиф,p > jnдр,p
и через переход начинает течь прямой ток (jпр), диффузионным перемещением электронов из n-области обратной диффузией дырок.
(9.9)
обусловленный в р-область и
а) |
б) |
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:
jnдиф,p < jnдр,p . |
(9.10) |
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:
δ = |
np |
≈ |
np |
. |
(9.11) |
|
|
||||
|
pp0 |
NA |
|
Коэффициент инжекции − это отношение тока носителей одного знака, инжектированных через переход, к полному току:
γ = |
I p |
|
I p + In . |
(9.12) |
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:
|
|
|
|
j |
диф |
= -eDp |
dpn |
(x) |
, |
|
|
|
(9.13) |
||||
|
|
|
|
р |
|
dx |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
j |
диф |
= -eD |
dnp (x) |
. |
|
|
|
(9.14) |
|||||
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
n |
|
dx |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Таким образом, обобщенное выражение ВАХ n-p перехода можно |
|||||||||||||||||
записать следующим образом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
é |
æ U ö |
|
ù |
æ |
|
D |
|
|
|
Dp |
ö |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
ç |
|
n |
|
|
|
|
|
|
÷ |
|
|
|
ç |
÷ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
-1ú; |
j0 = eç |
|
L |
np0 + |
L |
|
pn0 ÷ . |
(9.15) |
||||||||
j = j0 êexpç j ÷ |
|
p |
|||||||||||||||
ë |
è |
T ø |
|
û |
è |
|
n |
|
|
|
|
ø |
|
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
характеризуют изменением температуры T2, необходимым для удвоения тока:
T2 = |
kT0 ln 2 |
. |
(9.16) |
|
Eg |
||||
|
|
|
Tепловой ток резко снижается с увеличением ширины запрещенной зоны полупроводника и уменьшается с ростом концентрации примесей.
9.5. ВАХ реального n-p перехода
Уравнение Шокли не отражает всех физических свойств n-p перехода и реальная ВАХ (рис. 9.5) всегда в той или иной степени отклоняется от зависимости, определяемой выражением (9.15).
Вобщем виде эти отличия можно сформулировать следующим образом:
∙при одинаковой величине обратного напряжения, приложенного к переходу, реальная величина обратного тока существенно превышает ток j0;
∙при одинаковой величине прямого напряжения, приложенного к переходу, реальная величина прямого тока меньше расчетного значения по уравнению (9.15);
∙в пределах прямой ветки реальной ВАХ при относительно больших величинах прямого напряжения имеется омический участок, в
котором зависимость между током и напряжением описывается не экспоненциальной, а линейной зависимостью.
Рис. 9.5. ВАХ n-p перехода: идеального − штриховая линия и реального − сплошная линия
Основная причина различий идеальной и реальной ВАХ в пределах обратной ветки заключается в том, что уравнение (9.15) было получено без учета генерационно-рекомбинационных процессов в ОПЗ перехода. Такое допущение оправдано только в случае очень тонких переходов, которые на практике встречаются редко. Составляющую обратного тока, обусловленную
166
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):
jоб = j0 + jg . |
(9.17) |
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
* |
é |
æ |
|
ö |
ù |
|
|
ç mU |
÷ |
|
|
||
j = j0 |
êexpç |
|
÷ |
-1ú , |
(9.18) |
|
j |
||||||
|
ë |
è |
T |
ø |
û |
|
где j0* и m = 1-2 (фактор |
|
неидеальности) |
являются параметрами, |
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:
M = |
jпроб |
≈ |
1 |
, |
(9.19) |
|
1− (Uобр / Uпр )m |
||||
j0 |
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