Электронно-дырочный переход под действием внешнего напряжения. (прямое и обратное включение p-n-перехода. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода)
Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия. (возникновение обедненного слоя и потенциального барьера в p-n-переходе. Координатные зависимости энергий уровней электронов в p-n-переходе)
Если в одну из областей полупроводникового кристалла введена донорная, а другую акцепторная примесь, то образуется, соответственно, n-область и p-область. Тонкий слой между p и n областями, обладающий особыми электрическими свойствами, называется p-n-переходом(электронно-дырочным переходом).
Состояние полупроводника, когда R=G, называется равновесным; в этом состоянии в собственном полупроводнике устанавливаются равновесные концентрации электронов и дырок, обозначаемые ni и pi. Поскольку электроны и дырки генерируются парами, то выполняется условие: ni=pi. При этом полупроводник остается электрически нейтральным, т.к. суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется суммарным положительным зарядом дырок. Это условие называется законом нейтральности заряда. При комнатной температуре в кремнии ni=pi=1,4· 1010 см-3, а в германии ni=pi=2,5· 1013 см-3. Различие в концентрациях объясняется тем, что для разрыва ковалентных связей в кремнии требуются большие затраты энергии, чем в германии. С ростом температуры концентрации электронов и дырок возрастают по экспоненциальному закону.
Область вблизи электрического контакта, например, полупроводника с металлом, двух полупроводников с разным типом проводимости, представляющая собой слой ионизованных примесей, в котором почти полностью отсутствуют свободные носители заряда. Образуется в большинстве полупроводниковых переходов в результате диффузии свободных носителей из одного контактирующего тела в другое или под действием внешнего электрического поля.
|
|
|
Наиболее отчётливо обеднённый слой выражен в контактах Шоттки (контакт металл - полупроводник) и электронно-дырочных переходах (p-n-переходах). В условиях термодинамического равновесия в контактах Шоттки и p-n-переходах концентрация свободных носителей заряда в обеднённом слое равна собственной концентрации носителей в полупроводнике. В МДП-структурах обеднённый слой образуется при приложении внешнего напряжения, а в отсутствие напряжения - при наличии заряженных центров на границе раздела диэлектрик - ПП.
Сопротивление и ёмкость обеднённого слоя зависят от внешнего напряжения, что используется в варикапах, варисторах, параметрических диодах и др. ПП приборах.
Барьер Шотки (англ. Schottky barrier) — потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом, равный разности работ выхода (энергий, затрачиваемых на удаление электрона из твердого тела или жидкости в вакуум) металла и полупроводника: 
|
|
|
Назван по имени немецкого ученого В. Шоттки (W. Schottky), исследовавшего такой барьер в 1939 г. Для возникновения потенциального барьера необходимо, чтобы работы выхода металла и полупроводника были различными. При сближении полупроводника n-типа с металлом, имеющим большую, чем у полупроводника, работу выхода φ, металл заряжается отрицательно, а полупроводник — положительно, так как электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно. Напротив, при сближении полупроводника p -типа с металлом, обладающим меньшей φ, металл заряжается положительно, а полупроводник — отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов:
(e— заряд электрона). Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов Uк создается в приповерхностном слое полупроводника. Направление электрического поля в этом слое таково, что энергия основных носителей заряда в нем больше, чем в толще полупроводника. В результате в полупроводнике вблизи контакта с металлом при 
для полупроводника n -типа, или при 
для полупроводника p-типа возникает потенциальный барьер.
|
|
|
В реальных структурах металл–полупроводник соотношение не выполняется, так как на поверхности полупроводника или в тонкой диэлектрической прослойке, часто образующейся между металлом и полупроводником, обычно имеются локальные электронные состояния.
Барьер Шоттки обладает выпрямляющими свойствами. Ток через него при наложении внешнего электрического поля создается почти целиком основными носителями заряда. Контакты металл — полупроводник с барьером Шоттки широко используются в сверхвысокочастотных детекторах, транзисторах и фотодиодах.
Электронно-дырочный переход под действием внешнего напряжения. (прямое и обратное включение p-n-перехода. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода)
Внешнее напряжение U, приложенное к переходу плюсом к p-области, а минусом к n-области, называется прямым напряжением. Прямое напряжение направлено навстречу контактной разности потенциалов, поэтому потенциальный барьер снижается и становится равен UП = φк – U. Соответственно, на энергетической диаграмме все уровни n-области (включая уровень Ферми) смещаются вверх, а уровни p-области – вниз относительно равновесного состояния. Пониженный барьер облегчает диффузию основных носителей. Ток диффузии становится много больше дрейфа, через переход течет прямой ток I = Iдиф – Iдр ~ Iдиф.
|
|
|
С ростом прямого напряжения барьер уменьшается и прямой ток растет. Величина его может быть значительной, поскольку это ток основных носителей. Толщина перехода (обеднённого слоя) уменьшается.
При обратном включении p-n-перехода потенциальный барьер растёт и равен сумме Un = φк + U. Энергетическая диаграмма показывает, что основные носители зарядов не могут преодолеть потенциальный барьер и диффузия основных носителей прекращается. Через переход течет только обратный дрейфовый ток неосновных носителей, для которых электрическое поле является ускоряющим. Этот обратный ток I0 = Iдр весьма мал вследствие малой концентрации неосновных носителей.
Толщина обеднённого слоя возрастает. Сопротивление перехода увеличивается. Таким образом p-n-переход обладает односторонней проводимостью.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:
где I0 – тепловой обратный ток p-n-перехода; Uд – напряжение на p-n-переходе; jт = k T/ q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов (jк) на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К, jт = 0,025 В); k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; q –заряд электрона.
По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изменению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n-перехода характерен режим заданного прямого тока.
Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.
Дата добавления: 2016-01-03; просмотров: 26; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!