Часть 1

-частотные свойства p-n перехода;

-пробой p-n перехода.

Свойство односторонней проводимости p-n-перехода нетрудно рас-

смотреть на вольт-амперной характеристике. Вольт-амперной характеристи-

кой называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n-переход тока от величины приложенного напряжения. I = f(U).

Будем считать прямое напряжение положительным, обратное – от- рицательным. Ток через p-n-переход может быть определен следующим образом:

e'×U

I = I0 × (e k×T -1),

где I0 – ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда; е – основание натурального логарифма; е' – заряд электрона; Т – температура; U – напряжение, приложенное к p-n-переходу; k – постоянная Больцмана.

Данное выражение называется уравнением p-n-перехода. При прямом включении:

e'×U

Iпр = I0 ×(e k×T -1);

e' = const = c; k ×T

I = f (U );

Iпр = I0 ×(ec×U -1);

ec×U >>1.

При увеличении прямого напряжения прямой ток изменяется по экс- поненциальному закону.

При обратном включении:

Iобр = I0 × (e-c×U -1);

e-c×U <<1;

Iобр = -I0.

Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что p-n-переход проводит ток только в одну сторону. Температурное свойство p-n-перехода показы- вает, как изменяется его работа при изменении температуры (рис. 3.4). На

61

p-n-переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени – охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратно- го тока. Частотные свойства p-n-перехода показывают, как он работает при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n-перехода определяются двумя видами его емкости (рис. 3.5).

Рис. 3.4. Вольт-амперные характеристики p-n-перехода

при различных темпереатурах

Первый вид емкости – это емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется заряд-

ной, или барьерной емкостью.

Рис. 3.5. Пояснение к внутренней емкости перехода

C = e ×e0 × S ; d

C = e ×e0 × Sp - n . Dx

62

Второй тип емкости – это диффузионная емкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n-переход при прямом включении.

Cдиф = UQ ,

пр

где Q – заряд, протекающий через p-n-переход.

На рис. 3.6 приведена эквивалентная схема p-n-перехода.

Рис. 3.6. Эквивалентная схема p-n-перехода

Ri – внутреннее сопротивление p-n-перехода. Ri очень мало при прямом включении (Ri = 1…10 Ом) и будет велико при обратном включении

(Riобр = 100 кОм…1 Мом).

Если на p-n-переход подавать переменное напряжение, то емкостное сопротивление p-n-перехода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах емкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением p-n-перехода при прямом включении. В этом случае при обратном включении через эту емкость потечет достаточно большой обратный ток и p-n-переход потеряет свойство односторонней проводимости.

xc = w1×c .

Вывод: чем меньше величина емкости p-n-перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная емкость, т.к. диффузионная емкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление p-n-перехода мало.

63

3.4. Пробой р-n-перехода

Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода rдиф, которое определяется выражением

rдиф = dudi ,

где u – напряжение на переходе; i – ток перехода.

После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока. В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным).

Изобразим соответствующий участок вольт-амперной характеристики p-n-перехода (рис. 3.7).

Воснове пробоя p-n-перехода лежат три физических явления:

-тоннельный пробой p-n-перехода (эффект, явление Зенера);

-лавинный пробой p-n-перехода;

-тепловой пробой p-n-перехода.

Термин «пробой» используется для описания всей совокупности физических явлений и каждого отдельного явления.

И тоннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

i

0	u

Начало пробоя (дифференциальное сопро-

тивление rдиф = dudi резко уменьшается)

Ток увеличивается при уменьшении (по модулю) напряжения ( rдиф < 0)

Рис. 3.7. Участки пробоя

64

Рассмотрим все три вида пробоя.

Тоннельный пробой. Его называют также зенеровским пробоем по фамилии ученого (Zener), впервые описавшего соответствующее явление в однородном материале. Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процессы при пробое перехода, в основе которых лежал лавинный пробой. Напряжение, при котором начинается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяснения механизма тоннельного пробоя схематически изобразим соответствующую зонную диаграмму p-n-перехода (рис. 3.8).

p	Зона проводимости	n

ϕ3

Тоннелирование

Валентная зона

Рис. 3.8. Пояснения к эффекту тоннельного пробоя

Если расстояние между валентной зоной и зоной проводимости в кристалле (ширина, толщина барьера) достаточно мало, то возникает тоннельный эффект – явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер.

Лавинный пробой. Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах, схематично явление лавинного пробоя изображено на рис. 3.9.

Атом	Дырка
p	n
i
Электрон

u

Рис. 3.9. Возникновение лавинного пробоя

65

Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега.

Явления тоннельного и лавинного пробоев наблюдаются практически одновременно. Преобладание того или иного как правило определяет количество примесей (или степень легирования). В низкоомных полупроводниках преобладает первый тип пробоя, в высокоомных – второй.

Тепловой пробой (рис. 3.10). Увеличение тока при тепловом пробое объясняется разогревом полупроводника в области р-n-перехода и соответствующим увеличением удельной проводимости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если полупроводник – кремний, то при увеличении обратного напряжения тепловой пробой обычно возникает после электрического (во время электрического пробоя полупроводник разогревается, а затем начинается тепловой пробой). После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (полупроводниковый прибор выходит из строя).

Электрический пробой (см. рис. 3.10) – это обратимый пробой, т.е. при уменьшении обратного напряжения p-n-переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счет теплового действия тока и p-n-переход сгорит. Тепловой пробой необратим.

Рис. 3.10. Пробой перехода:

оa – участок электрического пробоя; аб – участок теплового пробоя

66

3.5.Переход Шоттки

3.5.1.Образование перехода Шоттки

Переход Шоттки возникает на границе раздела металла и полупро-

водника n-типа, причем металл должен иметь работу выхода электрона большую, чем полупроводник.

При контакте двух материалов с разной работой выхода электронов электрон проходит из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, и ни при каких условиях – наоборот. Электроны из приграничного слоя полупроводника переходят в металл, а на их месте остаются некомпенсированные положительные заряды ионов донорной примеси. В металле большое количество свободных электронов, и, следовательно, на границе металл – полупроводник возникает электрическое поле и потенциальный барьер. Возникшее поле будет тормозящим для электронов полупроводника и будет отбрасывать их от границы раздела. Граница раздела металла и полупроводника со слоем положительных зарядов ионов донорной примеси называется переходом Шоттки (рис. 3.11), который был открыт в 1934 году.

Рис. 3.11. Образование перехода Шоттки

3.5.2. Прямое и обратное включение диодов Шоттки

∙ Если приложить внешнее напряжение плюсом на металл, а минусом на полупроводник, возникает внешнее электрическое поле, направленное навстречу полю перехода Шоттки. Это внешнее поле компенсирует поле перехода Шоттки и будет являться ускоряющим для электронов полупроводника. Электроны будут переходить из полупроводника в металл, образуя сравнительно большой прямой ток. Такое включение называется прямым.

67

∙ При подаче минуса на металл, а плюса на полупроводник возникает внешнее электрическое поле, сонаправленное с полем перехода Шоттки. Оба этих поля будут тормозящими для электронов полупроводника и будут отбрасывать их от границы раздела. Оба этих поля будут ускоряющими для электронов металла, но они через границу раздела не пройдут, так как у металла больше работа выхода электрона. Такое включение перехода Шоттки называется обратным.

Обратный ток через переход Шоттки будет полностью отсутствовать, так как в металле не существует неосновных носителей зарядов.

Достоинства перехода Шоттки:

-отсутствие обратного тока;

-переход Шоттки может работать на СВЧ;

-высокое быстродействие при переключении из прямого состояния

вобратное и наоборот.

Недостаток – стоимость. В качестве металла обычно применяют золото.

3.6.Некоторые эффекты в полупроводниках

3.6.1.Тоннельный эффект

Тоннельный эффект (открыт в 1958 году в Японии) проявляется на p-n-переходе в вырожденных полупроводниках.

Вырожденный полупроводник – это полупроводник с очень высокой концентрацией донорной или акцепторной примеси. (Концентрация – 1024 атомов примеси на 1 см3 полупроводника).

В вырожденных полупроводниках очень тонкий p-n-переход: его ширина составляет сотые доли микрона, а напряженность внутреннего поля p-n-перехода Еp-n ≈ 108 В/м, что обеспечивает очень высокий потенциальный барьер. Основные носители заряда не могут преодолеть этот потенциальный барьер, но за счет малой его ширины как бы механически пробивают в нем тоннели, через которые проходят другие носители зарядов.

Следовательно, свойство односторонней проводимости на p-n-пере- ходе при тоннельном эффекте отсутствует, а ток через p-n-переход будет иметь три составляющие:

I = Iт.пр. − Iт.обр. + Iпр.,

где Iт.пр. – прямой тоннельный ток за счет прохождения зарядов через тоннели при прямом включении; Iт.обр. – обратный тоннельный ток, тот же самый, что и прямой, но при обратном включении; Iпр. – прямой ток проводимости. Вызван носителями заряда, преодолевающими потенциальный барьер при относительно высоком прямом напряжении.

68

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода при тоннельном эффекте будет иметь вид, изображенный на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Вольт-амперная характеристика тоннельного перехода

На участке АВ прямой тоннельный ток уменьшается за счет снижения потенциального барьера и в точке В он становится равным нулю, а ток проводимости незначительно возрастает. За счет этого общий ток на участке АВ уменьшается. Особенностью тоннельного эффекта является то, что на участке АВ характеристики имеет место отрицательное динамическое сопротивление.

R = U		= Uв −Uа .
i	I	Iв − Iа

Тоннельный эффект применяется в тоннельных диодах, которые используются в схемах генераторов гармонических колебаний и как маломощные бесконтактные переключающие устройства.

3.6.2. Эффект Гана

Эффект Гана проявляется в полупроводниках (рис. 3.13) n-типа про-

водимости в сильных электрических полях.

Рис. 3.13. Протекание тока в полупроводнике при эффекте Гана

69

Участок ОА – линейный участок, на котором соблюдается закон Ома. Участок АВ – при сравнительно больших напряженностях электрического поля уменьшается подвижность электронов (показывает, как легко электроны проходят сквозь кристаллическую решетку проводника) за счет увеличения амплитуд колебания атомов в узлах кристаллической решетки. И за счет этого рост тока замедляется. Участок ВС – сильное уменьшение подвижности электронов, что приводит к уменьшению тока. Участок СО – при очень больших напряженностях значительно увеличивается генерация носителей зарядов и хотя подвижность электронов уменьшается, ток возрастает за счет увеличения количества зарядов.

Сущность эффекта Гана состоит в том, что если в полупроводнике создать напряженность электрического поля, большую Екр, но меньшую Епор, т.е. на участке ВС характеристики, то в полупроводнике возникнут электрические колебания сверхвысокой частоты (СВЧ).

Эффект Гана применяется в диодах Гана, которые используются как маломощные генераторы СВЧ.

3.6.3. Эффект Холла

Эффект Холла проявляется в полупроводниках n-типа проводимости с протекающими через них токами, помещенных в магнитное поле.

На движущиеся электроны в полупроводнике будет действовать сила Лоренца Р, под действием которой электроны будут отклоняться к дальнему краю пластинки (рис. 3.14), следовательно, там будет сгущение электронов, а около переднего края – недостаток их. Поэтому между этими краями возникнет ЭДС, которая называется ЭДС Холла. Эффект Холла применяется в магнитометрических датчиках.

Рис. 3.14. Конструкция элемента Холла

70