13. Газоразрядная плазма

Основные понятия

Плазма – состояние вещества, характеризующееся высокой степеньюионизации и равенством концентраций положительных и отрицательныхзарядов (квазинейтральностью). Плазма в стационарном состоянии можетсуществовать только при наличии факторов, восполняющих убыльзаряженных частиц. В газовом разряде плазма в стационарном состоянииподдерживается за счёт внешнего электрического поля, энергия которогорасходуется на ионизацию газа.

Газ в состоянии плазмы находится в следующих видах разряда:

положительный столб тлеющего и дугового разряда;

дуговой разряд низкого давления с накаленными электродами;

отдельные области высокочастотного и сверхвысокочастотногоразрядов.

Плазма в общем случае состоит из электронов, ионов и нейтральныхчастиц (атомов или молекул). Концентрация заряженных частиц в плазмедостигает 1017 1/см3 и по своей электропроводности плазма приближается кпроводникам. Плазму нельзя представлять как механическую смеськомпонент – все частицы плазмы находятся в непрерывном взаимодействиидруг с другом и плазма в целом обладает рядом специфических свойств, которые вовсе не присущи отдельным её составляющим.

Различают изотермическую и неизотермическую плазму.

Изотермической плазме отвечает ионизированный газ при высокойтемпературе, когда энергии всех составляющих плазму частиц равны и всепроцессы обмена являются равновесными. Такая плазма находится всостоянии термодинамического равновесия. Неизотермическая плазмахарактеризуется тем, что средняя энергия электронов во много разпревышает энергию ионов и нейтральных частиц. Процессы обменаэнергией в этом случае неравновесны и плазма поддерживается за счётвнешних факторов – например, электрического поля. Дальнейшее изложениебудет касаться, главным образом, вопросов неизотермической плазмы, ибопоследняя наиболее часто встречается в газоразрядных приборах.

Количественное описание плазменных процессов требует знанияконцентраций частиц всех типов, а также их энергетических, пространственных и временных распределений.

В неизотермической плазме основную роль в плазменных процессахиграют электроны, поэтому в частном случае можно ограничиться знаниемхарактеристик электронной компоненты. Наиболее важными параметраминеизотермической плазмы являются следующие:

функция распределения энергий и средняя энергия электронов;

приведённая напряжённость продольного электрического поля;

средняя концентрация электронов или распределение концентрацийпо сечению разрядного прибора.

Кроме того, важными при описании свойств плазмы параметрамиявляются такие величины как температура газа и её пространственноераспределение, поток ионов на стенку и т.д.

14. n-p переход.

Переход между двумя полупроводниками одинаковой химической природы, но с различными типами проводимости контактирующих областей (электронно-дырочный или n-p переход).

Основной характеристикой переходов является ВАХ (вольт-амперная характеристика), которая представляет собой зависимость полного тока I (или плотности тока j), текущего через переход от величины и полярности приложенного внешнего напряжения U. Вид и характер ВАХ определяют области применения и режимы работы конкретных электронных приборов на основе данного перехода. В общем случае различают две основных разновидности ВАХ – омические и неомические.

В первом случае зависимость I = f(U) является линейной (подчиняется закону Ома), причем это свойство сохраняется при любой полярности приложенного напряжения. Во втором случае ВАХ является нелинейной, а ее конкретный вид определяется физическими свойствами переходного слоя в области контакта.

Параметры и характеристики n-р перехода зависят от уровней легирования и геометрических размеров n и p областей полупроводника, а также от характера распределения примесей в переходном слое в области контакта. По соотношению уровней легирования n и p областей полупроводника n-р переходы подразделяются на два вида – симметричные и несимметричные.

В симметричных переходах (рис. 9.1, а) уровни легирования контактирующих областей одинаковы (N_D = N_A), что обеспечивает равенство концентраций основных носителей заряда в n и p областях (n_n = p_p).

Рис. 9.1. Структура и распределение примесей в резком симметричном (а) и несимметричном (б) n⁺-p переходе

Несимметричные переходы (рис. 9.1, б) характеризуются различными уровнями легирования областей и обозначаются как n⁺-p, если ND > NA или p⁺-n, если ND<NA. Для несимметричной структуры характерно несовпадение концентраций основных носителей заряда в n и p областях (nn>>ppдля n+-p перехода и nn<<ppдля p+-n перехода)

Рассмотрим n-p переход, в котором концентрации доноров и акцепторов изменяются скачком на границе раздела. Пусть концентрация атомов доноров N_Dв n-области равна концентрации атомов акцепторов N_Ав p159 области. Все примесные атомы оказываются ионизированными. Равновесная концентрация дырок в p-области (р_р0) значительно превышает их концентрацию в n-области (р_n0). Аналогично для электронов выполняется условие n_n0>>n_p0

Наличие контакта между полупроводниками n- и p-типа немедленно приведет к возникновению диффузии электронов из n-области в p-область и обратной диффузии дырок вследствие наличия градиента концентраций.

Такое движение зарядов создает диффузионный ток электронов и дырок

Рис. 9.2. Диаграмма, поясняющая возникновение области пространственного заряда (двойного заряженного слоя) в n-p переходе

Уход основных носителей заряда из соответствующих областей приводит к тому, что по обе стороны от физической границы перехода образуются слои d_nи d_p, обедненные основными носителями, в которых образуется нескомпенсированный неподвижный заряд ионизированных донорных и акцепторных примесей. Таким образом, в слое d_nсо стороны nобласти перехода сосредоточен избыточный положительный заряд, а в слое d_pсо стороны робласти – избыточный отрицательный.

Между n и робластями в пределах обедненных слоев создается контактная разность потенциалов или потенциальный барьер перехода (_к) и внутреннее электрическое поле, которое получило название поля объемного заряда (Е_опз) (рис. 9.2). При этом положительный заряд в p-области равен отрицательному заряду в n-области, так что образец в целом остается электронейтральным.

Образование потенциального барьера с точки зрения зонной структуры связано с различным значением энергии Ферми в полупроводниках n и ртипа, не взаимодействующих друг с другом (рис. 9.3, а).

Рис. 9.3. Образование n-p перехода при контакте двух полупроводников: изолированные p и n области (а), n-p переход (б)

ВАХ

Рис. 9.5. ВАХ n-p перехода: идеального - штриховая линия и реального - сплошная линия

ВАХ идеализированного перехода

Наиболее просто уравнение ВАХ n-p перехода можно получить при рассмотрении диодной теории (эту модель иногда называют моделью Шокли), которая основывается на следующих допущениях:

в обедненном слое нет генерации, рекомбинации и рассеяния носителей; носители проходят через обедненный слой мгновенно, т.е. токи носителей одного знака на обеих границах одинаковы;

вне обедненного слоя нет электрического поля, здесь носители движутся только вследствие диффузии; сопротивления нейтральных областей в сравнении с сопротивлением обедненного слоя считаются пренебрежимо малыми; уровень инжекции низкий;

границы перехода являются плоскими, носители движутся только в направлении, перпендикулярном этим границам, краевые эффекты не учитываются;

полагается, что концентрации носителей заряда и значения электрических полей по любому сечению образца постоянные, т.е. возможно применить одномерное рассмотрение задачи.

(9.15)

уравнение Шоклиоисывающееидеализированную ВАХ.

ВАХ реального n-p перехода

Уравнение Шокли не отражает всех физических свойств n-p перехода и реальная ВАХ (рис. 9.5) всегда в той или иной степени отклоняется от зависимости, определяемой выражением (9.15).

В общем виде эти отличия можно сформулировать следующим образом: при одинаковой величине обратного напряжения, приложенного к переходу, реальная величина обратного тока существенно превышает ток j₀;

при одинаковой величине прямого напряжения, приложенного к переходу, реальная величина прямого тока меньше расчетного значения по уравнению (9.15);

в пределах прямой ветки реальной ВАХ при относительно больших величинах прямого напряжения имеется омический участок, в котором зависимость между током и напряжением описывается не экспоненциальной, а линейной зависимостью.

На практике ВАХ реального перехода аппроксимируют уравнением

г

де j^*₀и m = 12 (фактор неидеальности) являются параметрами, подбираемыми из условия наилучшего совпадения с экспериментальной ВАХ.