Шпора(дополненная)

30. Барьер Шотки. Диод Шотки. Транзистор Шотки

Барьер Шоттки

Чтобы построить правильную зонную диаграмму идеального перехода металл-полупроводник, находящегося в тепловом равновесии, нужно учитывать следующее:

–энергия вакуумного уровня E0 должна быть изображена в виде непрерывной линии, так как величина E0 представляет собой энергию "свободного" электрона и поэтому должна быть непрерывной однозначной функцией от положения в пространстве;

–сродство к электрону , так же как и ширина запрещенной зоны, есть свойство, связанное с кристаллической решеткой, поэтому для заданного материала постоянно;

–в полупроводнике Ec и постоянны, а E0 непрерывна.

Исходя из этих факторов изобразим зонную диаграмму для системы металл - полупроводник (рис.Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..20) для полупроводника n-типа, работа выхода из которого меньше, чем из металла.

Если слой обогащенный, то на нём не падает напряжение и контакт не выпрямляющий и он не определяет ток.

Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..20– Энергетические зонные диаграммы Шоттки:

а – идеализированная равновесная зонная диаграмма для выпрямляющего контакта металл - полупроводник (барьер Шоттки);

б– расположение заряда для равновесного состояния;

в– распределение поля для равновесного состояния;

г– зонная диаграмма при смещении в прямом направлении;

д– зонная диаграмма при смещении в обратном направлении

На границе раздела (рис.Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..20, а) наблюдается скачок разрешенных энергетических состояний q Б , называемый барьером Шоттки, который равен

qБ q(M ) .

Этот скачок разрешенных энергетических состояний был назван барьером Шоттки, так как впервые В.Шоттки в 1983 г. вывел аналитическое выражение для ВАХ перехода металл - полупроводник, предполагая, что толщина области пространственного заряда xd по крайней мере в несколько раз превосходит среднюю длину свободного пробега электронов, а напряженность поля меньше той, при которой происходит насыщение дрейфовой скорости.

Из-за различия величин работы выхода электронов из металла и полупроводника наблюдается обмен зарядами (часть электронов у границы раздела из полупроводника переходит в металл). Примем условия так называемого приближения обеднения, а именно:

– концентрация свободных дырок чрезвычайно мала, и ее можно не принимать во внимание;

–на участке от границы раздела до плоскости x = xd концентрация электронов много меньше концентрации доноров;

– за пределами x = xd концентрация доноров Nd = n.

В таком случае напряжение, падающее на области пространственного заряда, будет равно взятой со знаком "минус" площади ограниченной кривой, показанной на рис.Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..20, в:

k 12 Emax xd = qNd x d2 /2εεo,

где в соответствии с законом Гаусса

Emax = qNd xd /εεo.

Свойство выпрямления контакта может быть нарушено, если при подаче обратного напряжения электроны из металла в полупроводник смогут проходить за счет туннелирования (рис.Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..20, д, ток Iт). Это накладывает ограничение на концентрацию примеси в полупроводнике.

Диод Шоттки

В выпрямляющем контакте, который называют диодом Шоттки, электропроводность обусловлена основными носителями заряда. По этой причине диоду Шоттки свойственна высокая скорость переходных процессов, что позволяет использовать его для создания быстродействующих переключателей. К тому же у диода Шоттки низкое (по отношению к кремниевому p-n-переходу) напряжение отпирания, что в совокупности с первой особенностью дает диоду Шоттки два положительных отличия от диодов на p-n-переходе. Аналитическое выражение, описывающее вольт-амперную характеристику диода Шоттки, имеет вид

I AR *T2 exp	qБ	exp	qU	1
	kT		nkT

где А - площадь контакта; R* 4 qm*k / h2 - эффективная постоянная Ричардсона;

m* - эффективная масса электрона; h - постоянная Планка; k - постоянная Больцмана;

n - коэффициент неидеальности, который находится экспериментальным путем (лежит в пределах 1,02...1,15).

Или

I Isш (exp nkTqU 1)

где Isш AR *T2 exp( qkTБ ) ток насыщения диода Шотки.

Как уже отмечалось, отсутствие инжекции неосновных носителей в базу диода (дырок в n - полупроводник), а, следовательно, отсутствие эффектових накопления и рассасывания позволяет использовать диоды Шоттки в сверхвысокочастотном (гигагерцовом) диапазоне.

Из уравнения для I Ошибка! Источник ссылки не найден.для данного значения прямого тока падение напряжения на диоде задается выражением

Uпр (U*ш ) nkTq ln I I

sш

Для миллиамперного диапазона токов у алюминиевых диодов Шоттки, изготовленных из кремния n-типа,

величина U*ш равна приблизительно 0,45 В.

Для кремниевого p-n-перехода в этом же диапазоне прямого тока (см.Ошибка! Источник ссылки не найден.) U* 0,7 В, так как величина тока насыщения кремниевого p-n-переходаIs 10-13…10-14А намного меньше величины Isш.

Это свойство диода Шоттки используется для создания быстродействующих логических схем, в которых за счет включения в цепь коллектор - база диода Шоттки напряжение на коллекторе относительно базы фиксируется на уровне 0,45 В, что не дает транзистору перейти в режим насыщения.

Вопрос 31. Распределение концентрации неосновных носителей в базе(случай тонкой базы).

Ответ: -Если

< Lp (или

< Ln для

), то cth(

, ch(x/Lp) 1, sh(x/Lp)

x/Lp и выражение

запишется как

=

(exp

или

= +

(exp

-При подаче прямого смещения U >0

(exp

при х =

,

;

-При подаче обратного напряжения U < 0

x = 0 ,

(0) = 0;

x = ,

( ) =

.

В этом случае закон распределения будет линейным.

Рис 1 - Распределение концентрации неосновных носителей в тонкой базе

Вопрос 32. Аналитические выражения ВАХ

электронно-дырочного

перехода(случай тонкой базы).

Ответ:

Для случая с тонкой базе: WБ<< Lp , WЭ<< Ln

Выражение для плотности тока насыщения.

J=

– 1),

Т.е. раже ие I=

– 1) сохраняется, но

)

Рис. 1 – ВАХ р-n-перехода с тонкой базой.

Обратная ветвь на рис.1	не имеет		насыщения.	Это		можно	объяснить,	анализируя
график распределения	неосновных носителей				в	базе при	изменении	обратного
напряжения (рис. 2)
Для Uобр1 ширина ОПЗ	–	,	а для Uобр2	–		, причем |Uобр2|> |Uобр1| . Так
как угол 2 больше угла 1, то grad (			) > grаd (	)	и	>

Рис 2 - Влияние величины обратного напряжения на распределение концентрации неосновных носителей в тонкой базе.

Вопрос 33. Распределение потоков носителей в реальной одномерной БТ

Ответ:

Токи, протекающие в p-n-p транзисторе в активном нормальном режиме

1- Iэn	2- IRjэ	3- IRБ	4- IКБ0
В p-n-p транзисторе	направление токов	эмиттера и	коллектора совпадает

движением носителей (дырок), которые в основном образуют эти токи. Для n-p-n транзистора направления потоков изменятся на обратные.

Ток эмиттера: Iэ =Inэ +Ipэ (Inэ ток инжекции из n-базы в эмиттере)

Ток базы: IБ = InЭ + IRjЭ + IRБ – IКБ0

IRjЭ – часть дырок тока Ipэ рекомбинирует в эмиттерном p-n переходе, увеличивая ток базы на IRjЭ

IRБ – ток за счет рекомбинации дырок на поверхности и в объеме базы IКБ0 – обратный ток в коллекторном переходе

Ток коллектора: IК = Iэ - IБ = αNIэ + IКБ0

34. Особенности работы p-n перехода при высоком уровне инжекции ВУИ

Для р+-n-переходов: pn<< nn0—МУИ, и pnгр – pn0 = pn>> nn0—ВУИ. Во-первых, появляется электрическое поле в базе, направление которого способствует быстрейшему переходу неосновных носителей через базу. Появление поля вызвано следующим: в n-базу поступает такое количество неосновных носителей pn, которое нарушает квазинейтральность области; для ее обеспечения из вывода базы в базовую область поступает такое же количество основных носителей nn pn. Образуется электрическое поле, направленное от ОПЗ в глубь базы. Покажем, что наличие электрического поля в базе такого направления приводит к удвоению коэффициента диффузии неосновных носителей в базе.

Так как мы анализируем р+-n-переход, то можно полагать, что плотность электронного тока близка к

нулю: jn = q nn n Е + qDn grad n 0 → E

Dn

1

gradn . Т.к. Dn/ n = kT/q = Dp/ p и grad n = grad p:

n

nn

.

E

Dp

1

gradp . Запишем

(Ошибка! Текст

p

указанного

nn

pn

jp qDp(1

)gradp

стиля в

nn

документе

отсутствует..31)

Т. к. pn nn, pn = pn – pn0,

nn = nn – nn0. Полагая, что величина концентрации pn0 очень мала

по сравнению с другими концентрациями, в (Ошибка! Текст указанного стиля в документе

jp qDp(1

pn

)gradp

pn nn0

отсутствует..31) имеем nn = pn – nn0:

.

При МУИ pn pn<< nn0 → jp = – q Dp grad p. При ВУИ рn>> nn0 → jp = -q 2Dp gradp. Следовательно,

коэффициент диффузии неосновных носителей в базе, как результат воздействия электрического поля, удваивается.

Во-вторых, идет модуляция сопротивления базы в сторону ↓ RБ. RБ ~ ρБ.

При ВУИ: и

В-третьих,

(

),

, где

(

.

).

не учитывается, так как

, а

. →

В	инженерных расчетах трудно учесть такой эффект высокого
	уровня инжекции, как изменение времени жизни носителей
	заряда. Это происходит из-за изменений в процессе
	рекомбинации: возможно заполнение уровней ловушек,
	изменение концентрации как основных, так и неосновных

носителей, изменение путей рекомбинации (например, возникновение рекомбинации через такие ловушки, через которые при малых плотностях тока онане происходит). Вcе это приводит к тому, что при больших плотноcтях тока время жизни носителей, зависящее от множества факторов, может и расти, и уменьшаться.

35. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярный транзистор представляет собой три полупроводниковые области (эмиттер, база, коллектор), определяющиеся по типу электропроводности (n-р-n или p-n-р), которые с помощью имеющихся в каждой области омических контактов подключаются к внешней электрической схеме. Функции эмиттера и коллектора: эмиттировать (инжектировать) носители заряда и собирать их. Среднюю область транзистора назвали "базой", так как ее параметры в основном определяют работу транзистора (база в транзисторе всегда тонкая, распределение линейное). Биполярные транзисторы делятся на бездрейфовые, перенос инжектированных в базу носителей у которых осуществляется только за счет диффузии, и дрейфовые, у которых перенос носителей через базу осуществляется как за счет диффузии, так и за счет дрейфа.

Биполярный транзистор может работать в четырех режимах:

режим отсечки (эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении) (рис.3.1, а);

режим насыщения (эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении) (рис.3.1, б);

активный нормальный режим (эмиттерный переход включен в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях) (рис.3.1, в);

активный инверсный режим (эмиттерный переход включен в обратном, а коллекторный — в прямом направлениях) (рис.3.1, г).

Граничную концентрацию неосновных носителей в базе со стороны эмиттера или коллектора можно рассчитать, воспользовавшись выражением: n ргр n p0 exp qUkT j , где Uj величина напряжения

перехода эмиттер-база или коллектор-база соответствующего знака.

Если предположить, что ток основных носителей базы (дырок для n-p-n-транзисторов) равен нулю (считаем, что рекомбинация отсутствует), то

J

0 q

p

qD

dp

; (3.1)

D p

1

dp

kT

1

dp

.

(3.2)

p

p

x

p dx

x

p

p

dx

q p

dx

Из (3.2) видно, что если база легирована равномерно, то х = 0 (случай бездрейфового транзистора).

Если, используя методы диффузии или ионной имплантации, получаем концентрацию легирующей примеси N(x) в базе около эмиттера NБЭ значительно больше, чем на границе с коллектором NБК, то из-за наличия градиента концентрации в базе транзистора создается продольное электрическое поле х, отличное от нуля, направление которого способствует переносу неосновных носителей.

При законе изменения N(x), близком к экспоненциальному, величину поля x при неравномерном легировании базы можно определить, записав (3.2)

x=

kT

1 dp

kT WБ

1 N БК

dp

kT

ln

N БЭ

kT

m ,

(3.3)

0

N БЭ

q

dx

p

q

dx

p

qWБ

N БК

qWБ

где коэффициент

m ln( N БЭ / N БК )

называется дрейфовым

коэффициентом (иногда его

называют "фактором поля").

Реальное значение дрейфового коэффициента лежит в интервале 4 m 7 . Наличие поля в базе несколько изменит вид энергетической зонной диаграммы транзистора и распределение концентрации неосновных носителей в базе (рис.3.2).

В зависимости от названия электрода, который подключается к общему электроду внешней электрической цепи и по отношению к которому отсчитывается потенциал, различают три схемы включения транзистора: схема с общей базой - ОБ (схема с эмиттерным входом) (рис.3.3, а), схема с общим эмиттером - ОЭ (схема с базовым входом) (рис.3.3, б), схема с общим коллектором - ОК (эмиттерный повторитель) (рис.3.3, в).

Как уже отмечалось, поведение транзистора во многом определяется параметрами и распределением концентрации носителей в базе. Поэтому та область транзистора, база которой находится непосредственно под областью эмиттера, называется активной (рис.3.4, I) остальная — пассивной (рис.3.4, II).

Рис.3.1. Энергетические зонные диаграммы и распределение концентрации неосновных носителей в базе n-р-n бездрейфового транзистора в режимах отсечки (а), насыщения (б), активном нормальном (в) и активном инверсном (г)

Рис.3.2. Энергетическая зонная диаграмма (а) и распределение концентрации неосновных носителей в базе (б) n-р-n дрейфового транзистора в активном нормальном режиме

Рис.3.3. Схемы включения

транзистора

Рисун

ок

3.4–

Типи

чный n-р-n

плана рно-эпитаксиальный транзистор