Введение
Полупроводники являются основными материалами для создания активных приборов применяемых в электронной технике. Контакт двух полупроводников с различным типом электропроводности, называемый р-n переходом, является основой для создания различных типов полупроводниковых приборов: выпрямительных и силовых диодов, стабилитронов, варикапов, туннельных диодов, биполярных транзисторов, тиристоров, широко применяется в монолитных интегральных схемах. В связи с этим изучение свойств р-n перехода, определение его физических и электрических характеристик представляет собой важную задачу.
1. Цель работы
Целью лабораторной работы является закрепление знаний, полученных на лекциях и практических работах, подготовка к выполнению курсовой работы по дисциплине “Физические основы микроэлектроники” и изучение физических свойств р – n перехода.
2. Краткие теоретические сведения
При подаче внешнего напряжения на р – n переход изменяется ширина ОПЗ и, следовательно, накопленный заряд ионизированных ионов примеси в этом слое. Изменение заряда под действием внешнего напряжения воспринимается внешней цепью как емкость. Поскольку эта емкость зависит от высоты барьера, она получила название барьерной.
Барьерная емкость р-n перехода может быть представлена в виде формулы емкости плоского конденсатора:
, (2.1)
где - диэлектрическая проницаемость полупроводника, o электрическая постоянная, S - площадь р – n перехода, d - ширина ОПЗ.
При приложении к р-n переходу внешнего напряжения будет изменяться величина контактной разности потенциалов , что приведет к изменению ширины ОПЗ d. и, следовательно, барьерной емкости Сб.
При положительном смешении на р-n переходе, когда плюс внешнего источника приложен к р- области, контактная разность потенциалов уменьшается на величину приложенного напряжения Uвн.
=o + Uвн
В этом случае в соответствии с (2.12) и (2.14) ширина ОПЗ уменьшится (рис. 5, б), а барьерная емкость Сб возрастет.
При отрицательном смещении на р-n переходе, когда минус внешнего источника приложен к р - области, контактная разность потенциалов увеличится на величину приложенного напряжения Uвн:
=o - Uвн,
а ширина ОПЗ возрастет (рис.5,с); при этом барьерная емкость уменьшится.
n
+++
_ _ _
p
+++
_ _ _
+++
_ _ _
do
а)
n
++ _ _
p
++
_ _
++
_ _
d
б)
n
+++++
_ _ _ _
p
+++++
_ _ _ _
+++++
_ _ _ _
d
в)
Рис. 1.
Подставляя в формулу для емкости плоского конденсатора (2.1) выражение для ширины ОПЗ
(2.2)
получим окончательные выражения для барьерной емкости с учетом внешнего напряжения смещения:
. (2.3)
В случае несимметричного р-n перехода для практически наиболее распространенного варианта, когда nn<<pp получим:
, (2.4)
, (2.5)
Для плавного р-n перехода формула для барьерной емкости будет иметь следующий вид:
(2.6)
Как видно из приведенных выше формул барьерная емкость зависит от концентрации легирующей примеси, прежде всего, в слаболегированном слое и проявляет сильную зависимость от приложенного напряжения. Последняя зависимость носит название вольт-фарадной характеристики (ВФХ). Для построения ВФХ необходимо знать барьерную емкость при нулевом внешнем смещении СБ0, которая приводится в справочных данных на конкретный тип диода. В нашем случае она может быть определена при внешнем напряжении Uвн=0 для резкого перехода по следующим формулам (соответственно, для симметричного и несимметричного р-n переходов):
, . (2.7)
и плавного перехода:
(2.8)
Тогда вольт-фарадные зависимости могут быть определены через СБ0:
, . (2.9)
Графическая зависимость ВФХ имеет вид:
Uвн
Рис.2.
При прямых напряжениях в емкости перехода преобладает диффузионная емкость, обусловленная изменением распределения концентрации неосновных носителей заряда. Увеличение прямого напряжения приводит к большему уровню инжекции и возрастанию концентрации неосновных носителей заряда Δnp, Δpn вблизи ОПЗ (рис.3).
x
Рис.3.
Увеличение заряда неосновных носителей приводит к увеличению диффузионной емкости Сд, в то же время это сопровождается ростом прямого тока через переход. Таким образом, диффузионная емкость прямо пропорционально зависит от прямого тока:
, (2.10)
где: In, Ip – электронная и дырочная составляющая прямого тока;
In0,Ip0 - электронная и дырочная составляющая обратного теплового тока;
τn,τp – время жизни электрона и дырки.
Так как обратный тепловой ток много меньше прямого тока, то им можно пренебречь. Выражая прямой ток через физические параметры р-n перехода и внешнее напряжение получим формулу для диффузионной емкости:
, (2.11)
где: Ln, Lp – диффузионные длины электронов и дырок, равные:
, , (2.12)
где: Dn,Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок, которые могут быть определены из соотношения Эйнштейна:
, . (2.13)
Выражение (2.11) описывает диффузионную емкость на низкой частоте. Для высоких частот диффузионная емкость уменьшается с ростом частоты по закону (ω)-1/2. Поэтому на высоких частотах основной вклад в емкость р-n перехода вносит барьерная емкость.