Электрические процессы в p-n-переходе при наличии внешнего напряжения

Слайд 1,2

Лекция 2.

Полупроводниковые диоды

Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. ИЛИ Полупроводниковые диоды – приборы с одним p-n-переходом и двумя выводами, обладающие односторонней проводимостью тока.

В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обуславливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (р), а другой электронной (n) электропроводностью (рисунок 1а).

             а)                                                                                 б)                                       в)

Рисунок 1

а)- полупроводниковая структура диода;                  б), в) – внешний вид диодов различного назначения

Слайд 3

          а)                                                                                                        б)                               

Рисунок 2

а) графическое обозначение диода             б) упрошенная (идеальная) вольт-амперная                              (стрелка показывает направление                                           характеристика диода                                                    прямого тока)

Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов, протекающих на границе р- и n- слоев, в так называемом электронно-дырочном переходе (р-n-переходе).

Слайд 4

Электрические процессы в p-n-переходе в отсутствие внешнего напряжения

Рис. 3 Образование p-n-перехода в p-n-структуре полупроводника: а) p-n-структура полупроводника;                 б) распределение концентраций носителей заряда; в) составляющи е тока в р-n-переходе; г) распределение заряда; д) диаграмма напряженности поля; е) потенциальный барьер в p-n-переходе

Рис. 3 Образование p-n-перехода в p-n-структуре полупроводника: а) p-n-структура полупроводника;            б) распределение концентраций носителей заряда; в) составляющи е тока в р-n-переходе; г) распределение заряда; д) диаграмма напряженности поля; е) потенциальный барьер в p-n-переходе

Слайд 5

Рис. 3 Образование p-n-перехода в p-n-структуре полупроводника: а) p-n-структура полупроводника;            б) распределение концентраций носителей заряда; в) составляющи е тока в р-n-переходе; г) распределение заряда; д) диаграмма напряженности поля; е) потенциальный барьер в p-n-переходе

В германиевых и кремниевых диодах двухслойная p-n-структура (рис. 3а) создается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой — донорной примеси. При комнатной температуре атомы акцепторов и доноров можно считать полностью ионизированными, т.е. практически все акцепторные атомы присоединяют к себе электроны, создавая при этом дырки, а донорные атомы отдают свои электроны, которые становятся свободными. Кроме основных носителей заряда в каждом из слоев имеются неосновные носители заряда, создаваемые путем перехода электронов основного материала из валентной зоны в зону свободных уровней. На практике наибольшее распространение получили p-n-структуры с неодинаковой концентрацией внесенных акцепторной Nа и донорной Nд примесей, т.е. с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слоях рр ≈ Nа и nn ≈ Nд. Типичными являются структуры с Na >> Nд (pp >> nn). Распределение концентраций носителей заряда для таких структур показано на рис. 3б на примере германия, где приняты рр = 1018 см–3, nn = 1015 см–3. Концентрация собственных носителей заряда в германии при комнатной температуре ni = 2,5·1013 см–3. Концентрации неосновных носителей заряда, существенно меньшие концентраций основных носителей заряда соответствии с (1.2)                                                                           (1.2) и составят для рассматриваемой структуры в np ≈109 см–3, рn = 1012 см–3.

Слайд 6

Рис. 3 Образование p-n-перехода в p-n-структуре полупроводника: а) p-n-структура полупроводника;            б) распределение концентраций носителей заряда; в) составляющи е тока в р-n-переходе; г) распределение заряда; д) диаграмма напряженности поля; е) потенциальный барьер в p-n-переходе

В p-n-структуре на границе раздела слоев АВ возникает разность концентраций одноименных носителей заряда: в одном слое они являются основными, в другом — неосновными. В приграничной области под действием разности концентраций возникает диффузионное движение основных носителей заряда во встречном направлении через границу раздела. Дырки из р-области диффундируют в n-область, электроны из n-области—в р-область. Дырки, вошедшие в n-область, рекомбинируют с электронами этой области, а электроны, вошедшие в р-область, — с дырками р-области. Вследствие двух факторов (ухода основных носителей заряда из приграничных областей и их рекомбинации с носителями заряда противоположного знака) концентрации основных носителей заряда (рр и nn в обеих приграничных областях,суммарная ширина которых l0,снижаются (рис. 3, б). Кроме того снижение концентрации носителей заряда одного знака сопровождается повышением концентрации носителей заряда другого знака( ). Вследствие этого в приграничной р-области повышается концентрация электронов, а в приграничной n-области — концентрация дырок. Таким образом, становится понятным характер распределения концентрации носителей заряда в p-n-переходе, показанной на рис. 3бсплошными линиями.

Слайд 7.1

Рис. 3 Образование p-n-перехода в p-n-структуре полупроводника: а) p-n-структура полупроводника;            б) распределение концентраций носителей заряда; в) составляющи е тока в р-n-переходе; г) распределение заряда; д) диаграмма напряженности поля; е) потенциальный барьер в p-n-переходе

Важнейшим следствием диффузионного движения носителей заряда через границу раздела слоев является появление в приграничных областях объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей. Так, при уходе дырок из р-слоя в нем создается некомпенсированный отрицательный объемный заряд за счет оставшихся отрицательных ионов акцепторных атомов примеси. Электроны же, ушедшие из n-слоя, оставляют здесь нескомпенсированный положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами донорных атомов примеси. Наличие объемного заряда является главной особенностью p-n-перехода. Кривая распределения объемного заряда в p-n-переходе показана на рис. 3, г. Ввиду наличия объемного заряда в p-n-переходе создаются электрическое поле и разность потенциалов. Кривые Е(х) и φ(х) показаны на рис. 2.1, д, е (за нулевой принят потенциал n-слоя). Отметим, что рассмотренный процесс формирования р-п-перехода происходит уже на этапе введения в монокристалл акцепторной и донорной примесей.

Слайд 7.2

Рис. 3 Образование p-n-перехода в p-n-структуре полупроводника: а) p-n-структура полупроводника;            б) распределение концентраций носителей заряда; в) составляющи е тока в р-n-переходе; г) распределение заряда; д) диаграмма напряженности поля; е) потенциальный барьер в p-n-переходе

Толщина слоя объемного заряда l0 составляет доли микрометров и зависит от концентрации примеси (основных носителей заряда) в р- и n-областях (от удельного сопротивления слоев). Объемные заряды по обе стороны границы раздела равны и создаются, как известно, неподвижными ионами примеси. Если бы концентрации акцепторной Nа и донорной Nд примесей были равны (симметричный p-n-переход), то концентрации отрицательных ионов слева от границы раздела и положительных ионов справа были бы также равны и p-n-переход имел бы одинаковые толщины слоев l0 p и l0 n. В рассматриваемом случае несимметричного p-n-перехода (Nа > Nд) концентрация неподвижных отрицательных ионов слева от границы раздела АВ будет выше концентрации неподвижных положительных ионов справа (рис. 3, а), в связи с чем равенству объемных зарядов обоих знаков (рис. 3, г) здесь будет отвечать условие l0 n >> l0 p. Иными словами, p-n-переход толщиной l0 будет преимущественно сосредоточен в n-области, как в более высокоомной. Внутреннее электрическое поле, созданное объемными зарядами, является фактором, под действием которого обеспечивается равенство потоков носителей заряда через переход в обоих направлениях, т.е. равенство нулю суммарного тока в отсутствие внешнего электрического поля. Это обусловливается тем, что внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером φ0 (рис. 3, е) создает тормозящее действие для основных и ускоряющее — для неосновных носителей заряда. Таким образом, внутреннее электрическое поле приводит к уменьшению плотности диффузионного тока Jдиф через переход и появлению встречного ему дрейфового тока плотностью Jдр.

Слайд 8

Рис. 3 Образование p-n-перехода в p-n-структуре полупроводника: а) p-n-структура полупроводника;            б) распределение концентраций носителей заряда; в) составляющи е тока в р-n-переходе; г) распределение заряда; д) диаграмма напряженности поля; е) потенциальный барьер в p-n-переходе

Плотность диффузионного тока Jдиф, обусловленного основными носителями заряда (рис. 3, в), направлена вдоль оси х и состоит из потока дырок, перемещающихся под действием диффузии из р-области в n-область, и потока электронов, диффундирующих из n-области в р-область. Плотность дрейфового тока Jдр (рис. 2.1, в) создается неосновными носителями заряда прилегающих к p-n-переходу слоев с толщиной, равной диффузионной длине: Ln — для электронов р-слоя и Lp — для дырок n-слоя (рис. 2.1, а). Неосновные носители заряда, совершая тепловое движение в этих слоях, успевают за время своей жизни попасть в область действия электрического поля, увлекаются этим полем и перебрасываются через переход. Таким образом, плотность дрейфового тока определяется потоками подходящих неосновных носителей заряда из прилегающих к p-n-переходу слоев. Она зависит от концентрации неосновных носителей заряда в слоях и диффузионной длины. Дрейфовый ток имеет направление, противоположное направлению диффузионного тока. Равенству нулю тока через переход в отсутствие внешнего напряжения соответствует уменьшение диффузионной составляющей тока до величины его дрейфовой составляющей. Равенство составляющих тока Jдиф = Jдр создается установлением соответствующей величины потенциального барьера φ0 в p-n-переходе.Величина потенциального барьера φ0 (называемого также контактной разностью потенциалов) зависит от соотношения концентраций носителей заряда одного знака по обе стороны перехода и определяется соотношением:

Слайд 9

Рис. 3 Образование p-n-перехода в p-n-структуре полупроводника: а) p-n-структура полупроводника;            б) распределение концентраций носителей заряда; в) составляющи е тока в р-n-переходе; г) распределение заряда; д) диаграмма напряженности поля; е) потенциальный барьер в p-n-переходе

Высота потенциального барьера зависит от температуры ввиду зависимости от нее теплового потенциала и концентрации неосновных носителей заряда в слоях полупроводниковой структуры. Более сильное влияние температуры на концентрацию неосновных носителей заряда, чем влияние на величину φТ, приводит к тому, что с ростом температуры высота потенциального барьера уменьшается. При комнатной температуре для германия φ0 = 0,3÷0,5 В, а для кремния φ0 = 0,6÷0,8 В. Различие в значениях φ0 объясняется большей величиной ширины запрещенной зоны ΔWз в кремнии и, следовательно, меньшей концентрацией неосновных носителей заряда (при одинаковой температуре и одинаковых концентрациях внесенных примесей). Уход неосновных носителей заряда через p-n-переход из прилегающих к нему слоев, казалось бы, должен привести к уменьшению их концентрации с приближением к границе p-n-перехода. Вместе с тем концентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к p-n-переходу слоях сохраняются на уровнях рn и nр (рис. 3,б), так как в условиях динамического равновесия уменьшение концентрации неосновных носителей заряда за счет их ухода через p-n-переход будет постоянно восполняться носителями того же знака за счет их диффузии из противоположных слоев.

Слайд 10

Электрические процессы в p-n-переходе при наличии внешнего напряжения

Подключение к p-n-структуре внешнего напряжения (напряжения смещения) приводит к изменению условий переноса заряда через p-n-переход.

Существенную роль при этом играет полярность внешнего напряжения, с которой оно прикладывается к p-n-переходу.

Слайд 11

 Прямая ветвь вольт-амперной характеристики p-n-перехода

Рисунок 4 – Полупроводниковый диод при включении внешнего напряжения в прямом направлении: а) схема включения; б) потенциальный барьер при прямом напряжении; в) распределение концентраций носителей заряда; г) прямая ветвь вольт амперной характеристики

Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к p-n-структуре в прямом направлении, т.е. плюсом источника к выводу р-области, а минусом источника — к выводу n-области (рис. 4, а). При таком подключении источника создаваемое им электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю в переходе, что приводит к уменьшению результирующего поля в р-п-переходе. Объемный заряд обоих знаков, сосредоточенный в переходе по разные стороны границы раздела, будет определяться не только величиной потенциального барьера φ0, обусловливаемой, диффузионным движением носителей заряда под действием разности их концентраций в приграничных слоях, но и внешним напряжением Uа. Если пренебречь падением напряжения в слоях р- и n-структуры, то объемному заряду в переходе будет отвечать напряжение φ0 – Uа, меньшее, чем в отсутствие внешнего источника. Следовательно, уменьшится и обусловленный напряжением объемный заряд в p-n-переходе. Величина φ0 – Uа определяет высоту потенциального барьера в p-n-переходе при включении внешнего напряжения в прямом направлении (рис. 4, б). Уменьшение объемного заряда (потенциального барьера) проявляется в сужении p-n-перехода, которое происходит в основном за счет n-слоя, как более высокоомного.

    Слайд 12

Рисунок 4 – Полупроводниковый диод при включении внешнего напряжения в прямом направлении: а) схема включения; б) потенциальный барьер при прямом напряжении; в) распределение концентраций носителей заряда; г) прямая ветвь вольт амперной характеристики

Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через границу раздела в соседние области, что приводит к увеличению диффузионного тока через p-n-переход (рис. 4, в). Указанное явление называют инжекцией носителей зарядачерез p-n-переход. Вместе с тем дрейфовый ток через p-n-переход, создаваемый потоками неосновных носителей заряда, подходящих из приграничных слоев толщиной L к p-n-переходу, остается без изменения. Разность диффузионного и дрейфового токов определяет результирующий прямой ток через p-n-переход (прямой ток диода). Плотность прямого тока Ja = Jдиф – Jдр.                                                       (2.2) С повышением приложенного внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается (так как уменьшившийся потенциальный барьер способны преодолеть основные носители заряда, обладающие меньшей энергией), в связи с чем возрастаетпрямой ток через p-n-переход. Примерный вид прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показан на рис. 2.2, г (ток Iа на рис. 2.2 равен произведению плотности тока Ja через p-n-переход на площадь его сечения S). В кремниевых диодах величина φ0 выше, чем в германиевых. Одинаковая величина внешнего напряжения Uа здесь создает меньшее относительное снижение потенциального барьера, чем в германиевых диодах, и обусловливает меньший прямой ток при одинаковой площади p-n-перехода. Большая величина φ0 является одной из причин большего падения напряжения ΔUа в кремниевых переходах (0,8—1,2 В) по сравнению с германиевыми переходами (0,3—0,6 В) при протекании тока в прямом направлении. Таким образом, падение напряжения ΔUa не превышает 1,2 В, что выгодно отличает их от переходов других типов, в частности электровакуумных и газоразрядных (ионных).

        

Слайд 13

Рисунок 4 – Полупроводниковый диод при включении внешнего напряжения в прямом направлении: а) схема включения; б) потенциальный барьер при прямом напряжении; в) распределение концентраций носителей заряда; г) прямая ветвь вольт амперной характеристики

Рассмотрим распределение неравновесных концентраций носителей заряда в прилегающих к p-n-переходу слоях (рис. 4, в), создаваемых диффузией носителей через смещенный в прямом направлении p-n-переход. При прямом смещении p-n-перехода диффузионные составляющие тока существенно превышают дрейфовые составляющие. В связи с этим избыточные концентрации неравновесных носителей заряда в прилегающих к p-n-переходу слоях, создаваемые диффузией носителей через p-n-переход, будут значительно превышать снижение концентрации одноименных (неосновных) носителей заряда, создаваемое вследствие их ухода через p-n-переход за счет дрейфа. Иными словами, граничные концентрации электронов nр(0) и дырок рn(0), а также распределение концентрации nр(х) и р n(х) в прилегающих к переходу слоях (рис.4, б) будут определяться входящими в эти слои в результате диффузии через p-n-переход электронами и дырками. Граничные концентрации входящих в р-слой электронов nр(0) и в n-слой дырок рn(0) влияют на градиенты концентрации неравновесных носителей заряда на границе с p-n-переходом и тем самым определяют соответственно диффузионные составляющие токов Jдиф n и Jдиф р, протекающие через p-n-переход. Граничные концентрации неосновных носителей заряда связаны с прямым напряжением на p-n-переходе соотношениями: где nр0 — равновесная концентрация электронов в р-слое; рn0 — равновесная концентрация дырок в n-слое.

Слайд 14.1

Рисунок 4 – Полупроводниковый диод при включении внешнего напряжения в прямом направлении: а) схема включения; б) потенциальный барьер при прямом напряжении; в) распределение концентраций носителей заряда; г) прямая ветвь вольт амперной характеристики

Экспоненциальный характер зависимости граничных концентраций от приложенного прямого напряжения определяет экспоненциальную зависимость от него диффузионных составляющих, а следовательно, и анодного тока на прямой ветви вольт-амперной характеристики (рис. 4, г). Диффундируя в глубь слоев, неравновесные электроны рекомбинируют с дырками         р-слоя, а неравновесные дырки — с электронами n-слоя. В связи с этим концентрации неравновесных носителей заряда уменьшаются по экспоненциальному закону до значений равновесных концентраций (рис. 4,в). На расстоянии диффузионных длин Ln и Lp их концентрации уменьшаются в е раз. В несимметричном p-n-переходе концентрация дырок в р-слое на несколько порядков превышает концентрацию электронов в n-слое (рр >> nn), а для концентраций неосновных носителей заряда характерно обратное соотношение: nр0 << pn0. Этим объясняется, что в несимметричном переходе граничная концентрация рn(0)>>np(0) и ток через p-n-переход создается в основном диффузией дырок из p-слоя в n-слой (дырочной составляющей диффузионного тока), р-слой, осуществляющий эмиссию дырок через p-n-переход, называют эмиттером. Поскольку основой при получении р-n-структуры диода обычно служит полупроводниковый материал n-типа, n-слой называют базой.

Слайд 14.2

Рисунок 4 – Полупроводниковый диод при включении внешнего напряжения в прямом направлении: а) схема включения; б) потенциальный барьер при прямом напряжении; в) распределение концентраций носителей заряда; г) прямая ветвь вольт амперной характеристики

Неравновесная концентрация дырок в близлежащем к р-п-переходу слое базы создает положительный заряд. Его компенсируют вошедшие под действием сил электрического притяжения электроны от отрицательного полюса источника, в связи с чем базовый слой остается электрически нейтральным. Эти электроны увеличивают концентрацию основных носителей заряда в примыкающем к p-n-переходу базовом слое (на рис. 4, в не показано). Ее распределение вдоль оси х соответствует распределению вдоль этой оси концентрации неравновесных дырок, вызванной их диффузией через p-n-переход. Непрерывные диффузия дырок через р-п-переход, и их рекомбинация с электронами в прилегающем слое базы создают непрерывный приток электронов от отрицательного полюса источника, а следовательно, и ток в рассматриваемом участке цепи. Таким образом, в то время как прямой ток в p-n-переходе определяется диффузионным током дырок, ток в основной части базового слоя и внешнем выводе обусловливается дрейфовым током электронов. В примыкающем к p-n-переходу базовом слое прямой ток равен сумме диффузионного тока дырок и дрейфового тока электронов. Уменьшение дырочной диффузионной составляющей тока по мере удаления от границы p-n-перехода объясняется уменьшением градиента концентрации дырок вследствие их рекомбинации с электронами. Описанное явление обычно наблюдается при относительно большой ширине n-слоя в так называемых переходах с толстой базой. В переходах с тонкой базой, когда ее толщина соизмерима с диффузионной длиной дырок Lp (рис. 2.2, в), большинство дырок успевает в результате диффузии пройти базу без рекомбинации, в связи с чем ток в базе будет преимущественно определяться диффузионным током дырок. Подобные процессы наблюдаются и в слое эмиттера. Избыточная концентрация электронов, созданная в прилегающей к p-n-переходу области под действием диффузии, компенсируется повышением там концентрации дырок (на рис. 2.2, в не показано). Однако для несимметричного p-n-перехода роль электронной составляющей диффузионного тока в общем токе, протекающем через переход, мала. Ее роль несущественна и в токе, протекающем через эмиттерный слой. Ток через эмиттерный слой обусловливается в основном дрейфовым током дырок ввиду существующей в этом слое напряженности электрического поля от внешнего источника.

Слайд 15