Тема доклада: Диоды Гетероперехода. Диоды Ганна.

Физические процессы в диоде.

Как уже отмечалось полупроводниковый диод содержит один электрический переход. Поэтому физические процессы в электронно-дырочном переходе являются процессами в идеальном диоде. Следовательно ВАХ диода описывается описывается выражением:

(где - I0 обратный ток насыщения, U - приложенное напряжение, e - заряд носителя (электрона), k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура). В реальных диодах однако протекают процессы не учтённые при анализе идеализированого p-n перехода, поэтому ВАХ диода отличается от ВАХ перехода:

1. Диод при подключение внешнего обратного напряжения
Ширина запирающего слоя на переходе увеличивается, ратсёт высота потенциального барьера растёт и переход, а следовательно, и диод характеризуется высоким сопротивлением. Через переход течёт обратный ток - общий ток проводимости, текущий в обратном направлении. Величина обратного тока играет важную роль не только в случае подключения к диоду обратного напряжения, когда при U<0 , но и в том случае, когда диод находится под прямым напряжением. В последнем случае (U>0) и, следовательно, вид прямой ветви вольтамперной характеристики тоже зависит от I0.

В идеале считали, что обратный ток обусловлен только движением неосновных носителей, которые в полупроводнике образуются главным образом за счёт тепловой генерации пар зарядов. Поэтому этот ток называют тепловым. В реальных приборах тепловой ток оставляет лишь часть обратного тока, который содержит ряд других составляющих: ток генерации носителей в переходе, ток утечки и др.

Тепловой ток: Для величины теплового ток при условии Wn > Lp и Wp > Ln мы получили выражение:

где p и n c нулём - равновесные концентрации неосновных носителей; S - площадь перехода. В случае малых размеров эмиттера и базы (Wn << Lp; Wp << Ln) выражение для теплового тока имеет вид:

Подставив коэффициенты диффузии.

В этом выражении и не что иное, как скорости генерации дырок и электронов соответственно. Таким образом, тепловой ток в идеализированном переходе, ширина которого l стремится к 0, обусловлен генерацией неосновных носителей в объёмах полупроводников SLp и SLn, прилегающих к металлургической границе перехода.

Как следует из сравнения первых двух формул величина тока I0 при Wn < L эти неосновные носители могут не дойти до перехода и, следовательно, не будут участвовать в движении через запирающий слой. Кроме того градиент концентрации неосновных носителей в случае W > L меньше нежели в случае W< Величина теплового тока зависит также и от площади перехода S: с увеличением площади растет то есть I0.

Не менее существенна зависимость теплового тока и от концентрации неосновных носителей. Если диод образован несимметричным p-n переходом и степень легирования p - эммитера значительно выше степени легирования базы n - базы (Nа >> Nд), концентрация неосновных носителей в базе будет в больше, чем в эмиттере, т.е. основную роль в образовании теплового тока будут играть неосновные носители базы - дырки. Для теплового тока в этом случае можем записать:

Концентрация неосновных носителей определяется формулой :

В нашем случае Pno=Pn подставив эту величину получаем:

Таким образом, величина теплового тока пропорциональна квадрату собственной концентрации и, сильно зависит от температуры. При одинаковых значениях S, Wn, Nд тепловой ток в германии при комнатной температуре на 6 порядков больше, чем в кремнии. Зависимость теплового тока полупроводника описывается соотношением :

где ΔТ = Т - Т0, Т0 = 300К, а коэффициент альфа для германия равен 0,09 1/K и для кремния 0,13 1/K Ток генерации. В реальных диодах величина запирающего слоя равна l имеет конечную величину, и в этой области, как и за ее пределами, происходят генерация и регенерация носителей заряда. Генерируемые в переходе носители зарядов под действием электрического поля Ек на переходе из пределов запирающего слоя, образуя ток генерации Ig. Процессы рекомбинации обуславливают ток рекомбинации Ir. Процесс генерации в переходе происходит в результате разрыва валентных связей, а также вследствие ионизации примесных центров с глубокими энергитическими зонами близкими к середине запрещённой зоны.

Процесс рекомбинации частиц обусловлен тем, что частицы с энергией недостаточной для преодоления потенциального барьера, проникая на некоторую глубину в запирающий слой, теряют свою скорость в поле перехода и выносятся этим полем обратно. Т.к. время пребывания в запирающем слое велико, то вероятность рекомбинации через ловушки и др. дифекты структуры увеличивается и появляется ток рекомбинации Ir. В сотоянии термодинамического равновесия ток генерации равен току рекомбинации. При обратном напряжении потенциальный барьер увеличивается, глубина про-никновения частиц в запирающий слой уменьшается, снижается вероятность их рекомбинации на переходе, следовательно, уменьшается ток рекомбинации. Увеличение обратного напряжения приводит к расширению запирающего слоя и к росту объёма в котором происходит генерация.

Выражение для тока генерации :

(*)

Сравним ток генерации Ig с тепловым током I в диоде при Wn >> Lp и полагая, что в основном ток I0 создаётся движением дырок из базы в эмиттер, т.е. концентрация примесей в эмиттере значительно выше концентрации примесей в базе (Na >> Nд) тогда запишем: а отсюда и полагая учитывая соотношение (*) получим:

Различие в величинах этого соотношения для германиевого и кремниевого диодов (при одинаковой концентрации доноров ) определяется в основном различием их концентраций ni.

Ток утечки: Поверхностные явления вызывают так называемый ток утечки Iу, который при больших отрицательных напряжениях сравним с током I0 в германиевых и с током Ig и кремниевых диодах. Ток утечки растет пропорционально обратному напряжению, но слабо зависит от температуры; значение его может существенно зависеть от времени и температуры окружающей Среды. Ток Iу составляет существенную часть обратного тока, в значительной мере определяет временную и климатическую нестабильность обратной ветви ВАХ. Полный обратный ток: Полный обратный ток в диоде складывается из несколь-ких составляющих: Iобр=I0 + Ig + Iу. При Т = 300К обратный ток в кремниевом диоде обусловлен током генерации, а в германиевых в основном тепловым. Поскольку ток Io сильно зависит от температуры, то при Т = 100oС в кремниевых диодах начинает превалировать тепловой ток.

2. Диод под прямым напряжением
При подключению к диоду прямого напряжения высота потенциального барьера снижается, нарушается условие равновесия, начинается инжекция носителей заряда и через переход течёт ток Iпр. Прямой ток в диоде определяется, в отличии от идеализированного перехода, рядом физических процессов,протекающими не только в самом переходе, но и в базе реального диода .

Ток рекомбинации: При прямом напряжении потенциальный барьер перехода уменьшается и процессы рекомбинации преобладают над процессами генерации Ir > Ig. Ток рекомбинации определяется следующей приближенной формулой:

Отсюда видно что ток рекомбинации при прямом напряжении растёт экспоненциально с увеличением U. Ir зависит от концентрации собственных носителей, и его значение различно для кремниевых и германиевых диодов.

Инжекция носителей заряда: Поскольку степень легирования эмиттера в реальных диодах, как правило выше, чем базу: Nа >> Nд, прямой ток обусловлен в основном инжекцией дырок из эмиттера в базу. Для оценки значения тока за счет инжекции неосновных носителей в базу, как доли общего тока через переход, служит коэффициент инжекции: , где Ip и Iт - дырочная и электронная составляющие тока через переход на металлургической границе. Можно выразить коэффициент инжекции через удельной сопротивление. Другим параметром может служит уровень инжекции. От величины этого коэффициента зависит характер процессов в базе диодов.

3. Физические процессы в базе
Закон изменения концентрации неосновных носителей. Концентрация неос-новных носителей для толстой базы определяется выражением:

и выражением для тонкой базы:

Объёмное сопротивление базы: В случае низкого уровня инжекции, инжектированные в базу носители мало меняют концентрацию подвижных носителей в базе, и объёмное сопротивление базы определяется её геометрическими размерами и удельным сопротивлением, т.е. концентрацией примеси: , где S - площадь поперечного сечения базы.

Назад
  |Содерание|Вверх|  
Вперёд