Лекции Электроника. Трофименко Е.Н / свойсва р-п перехода

Лекция 3. Биполярные транзисторы

1. P- N- переход как основа полупроводниковых диодов и транзисторов

P-n-переход в отсутствие внешнего напряжения

В основе большинства полупроводниковых диодов и транзисторов лежит контакт двух полупроводников с различным типом электропроводности. Такой контакт называют электронно-дырочным переходом или p-n-переходом. Он может быть получен, например, путем диффузии донорной примеси в полупроводник p-типа. Идеализированная одномерная структура p-n-перехода изображена на рис. 2.1,а.

Включенный в электрическую цепь p-n-переход обладает односторонней проводимостью, то есть его вольтамперная характеристика нелинейна. Рассмотрим физические процессы в структуре, определяющие нелинейные свойства p-n-перехода.

Для простоты будем полагать, что концентрация легирующей примеси в областях n- и p- типа распределена равномерно, причем концентрация донорной примеси N_D в n-полупроводнике значительно больше, чем концентрация акцепторной примеси N_A в p- полупроводнике (N_D>>N_A). Назовем n-область с большей концентрацией примеси эмиттером, а p-область с меньшей концентрацией примеси  - базой. Это допущение позволяет считать, что полный ток через p-n-переход определяется преимущественно электронной составляющей. Дырочная составляющая тока через p-n-переход мала и ею можно пренебречь:

i = i_n + i_p  i_n.

Будем полагать, что внешние контакты к структуре ( они по своей природе должны иметь двустороннюю проводимость с очень малым сопротивлением ) удалены от контакта (сечение x₀ рис. 2.1) на расстояние, значительно превышающее диффузионную длину электронов L_n  в базе и дырок L_p в эмиттере. Это допущение позволяет считать, что собственно p-n-переход локализован вблизи границы x₀. Обозначим границы p-n-перехода через x_n и x_p.

Распределение концентрации электронов вдоль оси x показано на рис. 2.1,б. Так как концентрация электронов в n-полупроводнике n_n (основные носители заряда) значительно превышает концентрацию электронов в p-полупроводнике n_p (неосновные носители заряда), то в плоскости контакта возникает диффузия электронов из n-области в p-область. Аналогичные рассуждения приводят к диффузии дырок из p-области в n-область. Таким образом через p-n-переход протекают диффузионные потоки основных носителей заряда (ПОНЗ).

Уходя из полупроводника n-типа, электроны оставляют в приконтактной области n-полупроводника нескомпенсированный положительный неподвижный заряд ионов доноров Q_D+. Аналогично в приконтактной области p-полупроводника появляется равный по величине нескомпенсированный отрицательный неподвижный заряд ионов акцепторов Q_A-. На рисунке 2.1,б соответствующие области заштрихованы и обозначены.

Таким образом в области контакта появляется встроенное электрическое поле локализованное вблизи границы x₀. Будем характеризовать его контактной разностью потенциалов _K0.

Возникшее поле препятствует движению основных носителей через переход и является причиной появления встречного дрейфового движения электронов из p-области в n-область.

Таким образом, потоки неосновных носителей заряда (ПННЗ) по своей природе являются дрейфовыми. Распределение потенциала в структуре приведено на рис. 2.1,в.

Состояние термодинамического равновесия устанавливается при равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда ПОНЗ = ПННЗ, при этом p-n-переход характеризуется следующими параметрами: контактная разность потенциалов φ_K0  и ширина области пространственного заряда (или ширина p-n-перехода) ₀. Можно показать  ,что:

  ;     (2.1)

 .      (2.2)

Анализ выражений (2.1) и (2.2) показывает, что параметры перехода зависят от температуры и концентрации легирующей примеси в n и p - областях.

Увеличение температуры приводит к уменьшению контактной разности потенциалов φ_K0 и ширины p-n-перехода ₀. Это, в первую очередь, определяется тем, что, как показано  разд. 1, при высоких температурах уровни Ферми в n- и p-полупроводниках приближаются к середине запрещенной зоны, электропроводность полупроводников стремится к собственной, а, следовательно, p-n-переход исчезает  (φ_K00, ₀0). В уравнениях  (2.1) и (2.2)  эту зависимость определяет член n_i²(T).

При возрастании концентрации легирующих примесей N_D и N_A  контактная разность потенциалов возрастает , а ширина p-n-перехода уменьшается.

Встроенное электрическое  поле в p-n- переходе определяется зарядом неподвижных ионов примеси, при этом суммарный заряд структуры равен нулю: Q_D⁺ = Q_A^–, то есть

S·q·N_D·_n = S·q·N_A· p ,        (2.3)

где  S - площадь p-n-перехода; n , p - протяженность p-n-перехода соответственно в областях n- и p-типа. Преобразуем (2.3) с учетом N_D>>N_A.

 (2.4)

Из (2.4) следует ,что  p-n-переход большей своей частью лежит в базе.

Необходимо отметить, что область p-n-перехода обеднена подвижными носителями заряда, так как любой, возникший в этой области или попавший в нее, подвижный заряд выталкивается из  области перехода электрическим полем. Поэтому сопротивление p-n-перехода значительно выше, чем сопротивление n-  и p- областей.

Подведем итог. Причиной нелинейных свойств p-n-перехода является существующее в переходе встроенное электрическое поле.

Для основных носителей заряда это поле создает потенциальный барьер, а, следовательно, величина потока основных носителей заряда через переход зависит от величин этого барьера (φ_K).

Для неосновных носителей заряда поле в переходе создает потенциальную яму, а, следовательно, поток неосновных носителей заряда не будет зависеть от глубины потенциальной ямы (φ_K ): все электроны (неосновные носители), появившиеся у края потенциальной ямы, упадут в нее.

Поле в p-n-переходе можно изменить путем подачи на структуру внешнего напряжения. Если полярность внешнего напряжения направлена против поля в переходе, то тормозящее для ОНЗ поле в переходе ( или потенциальный барьер), уменьшается, и поток основных носителей заряда через p-n- переход увеличивается и значительно превышает существующий поток неосновных носителей. Такое напряжение на p-n-переходе называется прямым.

Если полярность внешнего напряжения U совпадает с полярностью контактной разности потенциалов φ_K0, суммарное тормозящее для ОНЗ поле в переходе возрастает, что приводит к уменьшению ПОНЗ через переход. Такое внешнее напряжение на p-n-переходе называется обратным.

Необходимо еще раз повторить, что в том и другом случае ПННЗ не зависит от глубины потенциальной ямы, а, следовательно, протекающий через p-n-переход ток неосновных носителей заряда не зависит от приложенного внешнего напряжения.

Использование полупроводников в радиотехнике

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:

где V_T — термодинамическое напряжение, N_n — концентрация электронов, N_p — концентрация дырок, n_i — собственная концентрация ^[2].

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость). Обратный ток полупроводникового диода не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.

Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.

Транзистор

Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором. Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор. Биполярный транзистор используют для усиления электрического тока.