Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

Температурная зависимость параметров вольтамперной

характеристики p-n перехода

 

С увеличением температуры ВАХ p-n перехода претерпевает изменения. Обратный ток jS0 увеличивается по экспоненте, а прямое падение напряжения при заданном jпр на малых уровнях инжекции уменьшается линейно.

Основная температурная зависимость jS0 (5.34) в температурном диапазоне ниже собственной (Т < Тi) определяется собственной концентрацией носителей заряда

.

Температурная зависимость подвижности определяется рассеянием на фононах и ионах примеси. В первом приближении:

,

где n изменяется от 2,3 до 0,9 для кремния в зависимости от степени легирования n-базы.

Следовательно ;

; .

По температурной зависимости обратного тока можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника (рисунок 5.18, а).

Прямое падение напряжения на p-n переходе при заданной плотности прямого тока jпр определяется из (5.32) ( )

.

Пренебрегая более слабой зависимостью T3по сравнению с , получим:

 

.

При увеличении температуры возрастает энергия носителей заряда и вероятность их перехода через барьер (P ~ ).

Если поток носителей поддерживается постоянным внешним источником (jпр = const), то это означает, что с увеличением температуры величина потенциального барьера должна возрастать, поэтому Uпр уменьшается (рисунок 5.18).

 

Ф(U) = Ф0 – q∙Uпр(Т).

При увеличении плотности тока температурная зависимость Uпр ослабляется, так как a∙NСNV = jmax, представляет собой максимальную плотность тока при спрямленном барьере, и при больших плотностях тока увеличение энергии носителей существенно не увеличивает вероятность переброса (нет барьера) (рисунок 5.18, б).


 

Рисунок 5.18 - Температурная зависимость обратного тока (а),

прямого падения напряжения (б), ВАХ p-n перехода (в)

 

Процессы, протекающие в p-n переходе

В заключении перечислим основные процессы, происходящие в p-n переходе в неравновесном состоянии.

Прямое смещение.

1. При подаче прямого смещения за время релаксации Максвелла происходит нейтрализация внешней части ОПЗ, т.е. уменьшение физической толщины ОПЗ, и уменьшение величины потенциального барьера (компенсируется часть контактной разности потенциалов).

2. Сдвиг термодинамического равновесия в сторону диффузионных токов. Инжекция дырок из p-области в n-область, электронов из n-области в квазинейтральную p-область.

3. Увеличение концентрации неосновных носителей заряда на границах ОПЗ и квазинейтральных n- и p-областей

(граничные условия Шокли).

4. Нейтрализация инжектированного заряда ННЗ основными носителями заряда из источника за время Максвелла.

5. Возникновение градиента концентрации неравновесных носителей заряда, протекание в базах диффузионных токов неосновных носителей с сопутствующей рекомбинацией, в результате которой диффузионные потоки уменьшаются до нуля на расстоянии более трех диффузионных длин ННЗ.

6. Базы квазинейтральны для неосновных носителей заряда. В них протекают только диффузионные токи ННЗ. Полевые токи ННЗ близки к нулю (малая концентрация ННЗ по сравнению с основными носителями заряда). На расстоянии от ОПЗ более трех диффузионных длин ток поддерживается дрейфом основных носителей заряда.

Обратное смещение.

1. При приложении обратного смещения за время релаксации происходит эксклюзия ОНЗ (ионизация атомов примеси) внешним полем и расширение физической толщины ОПЗ. Высота потенциального барьера увеличивается. Внешний потенциал добавляется к контактной разности потенциалов.

2. Термодинамическое равновесие в ОПЗ смещается в сторону дрейфовых токов. Надбарьерная диффузия подавляется увеличением потенциального барьера.

3. Экстракция ННЗ из квазинейтральных баз полем обратно смещенного р-n перехода.

4. Концентрация ННЗ на границах ОПЗ и квазинейтральных областей стремится к нулю,

; .

5. Диффузионные токи ННЗ, направленные из квазинейтральных областей, поддерживаемые тепловой генерацией в квазинейтральном объеме, ограниченном тремя диффузионными длинами.

6. Дрейфовые токи в ОПЗ дошедших носителей. При переходе дырки из n-области в p-область она становится основным носителем заряда и замыкает цепь тока через внешний источник.

5.6. P- i -n переход

P-i-n переход представляет собой контакт сильнолегированных n- и p-областей, между которыми расположен тонкий слой собственного (или слаболегированного) полупроводника. Диоды на основе P-i-n переходов применяются в СВЧ технике в качестве переключателей и управляемых аттеннюаторов. P-i-n является также физической моделью реальных p-n переходов для описания токов рекомбинации – генерации в ОПЗ. Схематическое изображение p-i-n перехода и энергетические диаграммы приведены на рисунке 5.19.

Рисунок 5.19 - Структура p-i-n перехода (а), энергетическая диаграмма в равновесии (б)

и в прямом смещении (в)

 

 

Величины барьеров p-i и i-n переходов определяются уровнем легирования

; .

Величина барьера для диффузионных токов:

.

В прямом смещении наряду с диффузионными токами электронов и дырок протекает ток рекомбинации в i- слое:

.

Примем следующие допущения:

1. Толщина i- слоя (di << Lp, Ln) значительно меньше диффузионных длин неравновесных носителей заряда. Квазиуровни Ферми постоянны в i- слое.

2. Рассматриваем малые уровни инжекции. База квазинейтральна . Выполняются граничные условия Шокли.

; .

Для расчета тока рекомбинации в i-области воспользуемся уравнением непрерывности:

 

.

В стационарных условиях . Откуда

; . (5.36)

Из первого допущения следует:

 

; .

Условие электронейтральности i- слоя:

 

,

; .

Внешнее прямое смещение делится пополам между p-i и i-n переходами. Темп рекомбинации не зависит от координаты. Подставив значение U2 в (5. 36), получим:

. (5.37)

Ток рекомбинации в i- слое формируется двумя одинаковыми по величине потоками дырок из p-области и электронов из n-области. Акт рекомбинации замыкает цепь тока внешнего источника. Зависимость плотности тока рекомбинации в i- слое от величины смещения значительно слабее диффузионных токов в p- и n-областях (ток рекомбинации в p- и n-областях).

Суммарный ток (рисунок 5.20):

 

.

 

Для широкозонных полупроводников Si, GaAs величина jr0 > jS0 при комнатных температурах. Поэтому при малых смещениях на вольтамперной характеристике доминирует потенциальная зависимость рекомбинационного тока (наклон ) (рисунок 5.20).

В обратном смещении процесс рекомбинации сменяется на тепловую генерацию

.

Генерационный ток в i-слое определяется полевым механизмом, так как внешнее смещение разделяет генерируемые носители. Дырки дрейфуют в р-область, электроны в n-область, где они становятся основными носителями заряда и замыкаются (релаксируют по энергии) на источник.

 

 
 

 


 

Рисунок 5.20 - BAX p-i-n перехода

в прямом смещении

 

 

Вторая отличительная особенность тока генерации в i-слое проявляется в температурной зависимости обратного тока. Темп генерации в i-слое ( ) определяется энергией активации , в то время как энергия активации генерационного процесса в квазинейтральных базах составляет полную ширину запрещенной зоны DЕg.

; .

При низких температурах будет преобладать генерационный ток в i-слое. При более высоких – генерационный ток в квазинейтральных p- и n-областях (рисунок 5.21).

 

 

5.7. Токи рекомбинации – генерации в p-n переходе

 

В зависимости от места протекания рекомбинационно – генерационных процессов различают следующие токи: ток рекомбинации-генерации в квазинейтральных объемах n- и р- баз, ограниченных тремя диффузионными длинами (диффузионные токи); ток рекомбинации-генерации в объеме ОПЗ; ток генерации-рекомбинации на поверхности ОПЗ; ток генерации-рекомбинации на нейтральной поверхности, примыкающей к периферии р-n перехода; ток поверхностных каналов.

 






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2017 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.