Акцепторная примесь

Рис. 3.3. Акцепторная примесь

Уровни этой примеси располагаются близко к потолку валентной зоны. Электроны валентной зоны ионизируют атомы примеси, создавая свободные носители – дырки, которые превалируют над электронами и являются основными носителями:

p_P >> n_р.

Такой полупроводник называется дырочным, или р-типа. Уровень Ферми у него согласно (3.5) лежит ниже середины запрещенной зоны (рис. 3.3).

3.5. P-n-переход

P-n-переход – это область технологического контакта между слоями полупроводников n- и р-типа. Главной особенностью этого контакта является его ярко выраженная нелинейность – проводимость при одной полярности внешнего напряжения (прямое смещение) намного больше, чем при другой полярности (обратное смещение). И хотя p-n-переход может, как это будет показано, использоваться для разных целей, главное его применение – как элемента с преимущественно односторонней проводимостью (вентильного, выпрямительного элемента).

В основном для получения p-n-переходов используют примесные полупроводники с существенно различной концентрацией основных носителей. Рассмотрим пример, когда удельное сопротивление n-слоя значительно меньше, чем у р-слоя:

Рис. 3.4. Энергетическая диаграмма p-n-перехода

n_n>>p_n ,

соответственно на основании (3.4) для неосновных носителей верно обратное неравенство, т. е.

p_n << n_р.

Поскольку уровень Ферми при равновесном состоянии твердого тела расположен горизонтально, то зонная диаграмма p-n-перехода приобретает вид, изображенный на рис. 3.4.

Хорошо видно, что разность уровня Ферми в n- и р-слоях приводит к энергетическому «искривлению» разрешенных зон: в области контакта появляется потенциальный барьер Dj₀.

Этот барьер создает поле, препятствующее переходу основных носителей из одного слоя в другой (пунктирная траектория электрона слоя n), и является ускоряющим для неосновных носителей (сплошная траектория для электрона слоя р). Искривление энергетической диаграммы распространяется на ширину Dl₀, составляющую порядка одного микрона. В этом промежутке свободных носителей практически нет: неосновные быстро «проскальзывают» его за счет дрейфа в ускоряющем поле потенциального барьера, а основные носители, диффузии которых барьер препятствует, практически туда не попадают. Этот участок на границе двух слоев, обладающий очень большим сопротивлением по сравнению с остальными участками n- и р-слоев, собственно и называется
p-n-переходом.

Рис. 3.5. Равновесное состояние p-n-перехода

В равновесном состоянии, когда внешнее напряжение, приложенное к p-n-переходу, равно нулю (рис. 3.5), малое число основных носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, уравновешивается встречным движением малого же числа неосновных носителей, свободно дрейфующих в поле перехода. В результате ток через переход равен нулю.

При прямом смещении, когда внешнее напряжение приложено такой полярностью, чтобы снизился потенциальный барьер, равновесие нарушается в сторону основных носителей, которыми обусловливается прямой ток I_п (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Прямое смещение p-n-перехода

Зависимость величины прямого тока от приложенного напряжения U_п оень резкая, почти экспоненциальная. Следует обратить внимание на сужение области p-n-перехода, последствия которого будут рассмотрены далее.

При обратном смещении внешнее поле, суммируясь с полем потенциального барьера, делает практически нулевым поток основных носителей, в то время как дрейф неосновных носителей остается почти неизменным. Ток через переход меняет направление (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Обратное смещение p-n-перехода

Обратный ток I₀ определяется неосновными носителями и поэтому очень мал. Ширина p-n-перехода в обратном включении возрастает.

Математическая связь между приложенным напряжением U и протекающим через p-n-переход током I определяется уравнением

(3.6)

где m – коэффициент, зависящий от материала полупроводника (для кремния m = 2);

I_S – обратный ток насыщения.

На основании (3.6) можно построить график зависимости I=F(U)– вольтамперную характеристику, из которой с очевидностью видна преимущественно односторонняя проводимость p-n-перехода (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

При прямом смещении в (3.6) надо подставлять U > 0, при обратном – U < 0. Резкое нарастание прямого тока у кремниевых p-n-переходов наступает в районе 0,6¸0,8 В. Обратный ток при ½U₀½>>mj_Т становится независимым от напряжения и равным I_S.

Значение I_S (на примере донорной примеси) соответствует числу неосновных носителей – дырок:

где N_д = const – число атомов донорной примеси. Подставляя зависимость n_i от температуры и ширины запрещенной зоны (3.2), получаем

; (3.7)

Iʹ₀ = const.

Из (3.7), в силу неравенства j_З>>j_Т следует резкая зависимость обратного тока от ширины запрещенной зоны (материала проводника). Так, у кремния при прочих равных условиях (концентрации примеси, геометрических размеров p-n-перехода) значение обратного тока почти на 3 порядка меньше, чем у германия.

Из (3.7) можно получить и зависимость I_S от температуры:

I_S(T)= I_S(T₀) e^aDT, (3.8)

где Т₀ = 300 К (комнатная температура), a » 0,1 для кремния.

Соотношение (3.8) свидетельствует о резкой зависимости обратного тока от температуры.

Из (3.6) можно получить дуальное соотношение

. (3.9)

Пренебрегая единицей в (3.9), с учетом (3.7), записываем:

. (3.10)

Из (3.10) следует практически линейная зависимость напряжения на p-n-переходе при прямом смещении от температуры.

Зависимости обратного тока и прямого напряжения от температуры следует учитывать при расчете температурных нестабильностей устройств на основе p-n-переходов. С другой стороны, эти зависимости можно использовать как полезные для построения твердотельных датчиков температуры. Конструктивно оформленный p-n-переход (герметичный корпус, внешние выводы) называется диодом.

3.6. Инерционность p-n-перехода

Под инерционностью понимается запаздывание реакции p-n-перехода на электрическое воздействие. Под воздействием может пониматься как изменение во времени приложенного напряжения (тогда реакция – это ток через p-n-переход), так и изменение во времени заданного через
p-n-переход тока (тогда реакция – напряжение на переходе).

Основным последствием инерционности p-n-перехода является потеря свойства преимущественно односторонней проводимости при быстрых изменениях во времени (высокой частоте) входного воздействия.

Физической причиной инерционности являются конечное время движения основных носителей через переход и конечное время перезаряда паразитных емкостей перехода. Паразитными эти емкости называются потому, что они возникают помимо воли разработчиков-технологов, в силу особенности физических процессов в p-n-переходе. Чаще всего временем переноса носителей из-за малых геометрических размеров можно пренебречь и рассматривать только влияние паразитных емкостей.

3.6.1. Зарядная емкость p-n-перехода

Рассмотрим область p-n-перехода как диэлектрик, а прилегающие низкоомные n- и р-области – в качестве проводящих пластин. Тогда
p-n-переход можно представить в виде плоского конденсатора (см. рис. 3.9), обладающего емкостью

, (3.11)

где S – площадь p-n-перехода; l – длина p-n-перехода; e – диэлектрическая проницаемость.

Площадь S должна быть тем больше, чем больше прямой ток, который протекает через p-n-переход. Следовательно, у сильноточных переходов зарядная емкость, а поэтому и инерционность больше.

Наличие зарядной емкости, которая оказывается подключенной параллельно идеальному безынерционному переходу (рис. 3.10) делает невозможным скачкообразное изменение напряжения на переходе, т. к., согласно известному соотношению между током и напряжением на конденсаторе,

.

Для скачкообразного изменения U_с (когда ) потребовалось бы бесконечное значение тока i_с, что физически невозможно.

Рис. 3.9. P-n-переход как плоский конденсатор	Рис. 3.10. Влияние зарядной емкости

Рассмотрим в этой связи схему на рис. 3.11 и соответствующие ей временные диаграммы. При отрицательном значении управляющего источника Е p-n-переход был смещен в прямом направлении (открыт). При скачкообразном изменении ЭДС управляющего источника на положительное (запирающее) значение конечное время перезаряда паразитной емкости приводит к тому, что в течение времени Dt переход не «подчиняется» запирающему воздействию и продолжает оставаться открытым.

Если представить случай, когда длительность импульсов управления t₀ станет соизмерима с Dt (высокая частота изменения управляющего сигнала), p-n-переход будет оставаться в проводящем состоянии при любой полярности управляющего сигнала, т. е. потеряет свое главное свойство – вентильное (односторонней проводимости). Так как ширина p-n-перехода зависит от величины и знака приложенного напряжения

l = F(U),

то и зарядная емкость согласно (3.11) тоже зависит от напряжения, т. е. является нелинейной емкостью. Эта особенность находит практическое применение в специальных двухполюсных элементах – варикапах – электрически управляемых емкостях, которые можно использовать, например, для дистанционного переключения программ телевидения, когда изменяемая емкость варикапа, подключаемая параллельно резонансному контуру телевизионного приемника, меняет частоту настройки.

Сз

Рис. 3.11. Влияние С_з на скорость переключения p-n-перехода
из проводящего состояния в запертое