ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

P-N ПЕРЕХОДА

Краткая теория

Состав и изготовление р-п перехода

Большинство электронных полупроводниковых приборов содержит один (диоды разных типов), два (биполярные транзисторы) или несколько (тиристоры, интегральные схемы) р-п переходов, которые образуются в обла­сти контакта дырочного и электронного полупроводников.

Р-n переход получают введением через поверхность полупроводнико­вого кристалла n-типа акцепторной примеси* из твердой или газовой фа­зы при высокой температуре. Акцепторные атомы в результате диффузии проникают внутрь кристалла на некоторую глубину, образуя слой р-типа.

При образовании р-п перехода в области контакта между р- и n-полупро-водниками происходит диф­фузионное движение носителей, в результате которого электроны из n-области проникают в р-полупроводник, а дырки из р-области проникают в полупроводник n-типа.

При взаимодействии электронов и дырок проис­ходит рекомбинация**носителей. Рекомбинационные процессы приводят к уменьшению концентрации основных носителей в области p-n перехода и образованию двойного заряженного ионного слоя. Прилегающая к контакту р-область приобретает отрицательный заряд ионов акцепторной примеси, а n-область - положительный заряд ионов донорной примеси***.

Наличие двойного заряженного слоя приводит к появлению контактного электри­ческого поля Е_кв p-n переходе (рис. 1.18), направленного из n-области в р-область. Е_к достигает наибольшего значения на границе р- и n-областей (рис. 1.19).

Рис. 1.18. Механизм образования контактного поля Рис. 1.19. График зависимости Е_к(х)

Контактное электрическое поле приводит к возникновению контактной разности потенциалов U₀между р- и n-областями и образованию энергетического барьера (E_Б0 = q₀U₀) между ними, препятствующего диффузии носителей в области контакта.

Рис. 1.20. Энергетический барьер в области p-n перехода при отсутствии смещения:

условно черными кружками обозначены электроны, светлыми – дырки;

энергетические уровни в зонах не показаны

Из условия электронейтральности полупроводникового кристалла положительный q₍₊₎ и отрицательный q_(-) ионные заряды должны быть равными по величине: q₍₊₎ = q₀n_DSx_n; q_(-) = q₀n_ASx_p; q₀n_DSx_n = q₀n_ASx_p, где S – площадь контакта между р- и n-областями. Откуда

(1.24)

Из (1.24) следует, что ширина области ионного заряда обратно пропорциональна концентрации атомов примеси в полупроводнике (x_p ~ 1/n_A; x_n ~ 1/n_D). Для создания узких p-n переходов требуется внесение высоких концентраций донорных и акцепторных примесей; создание широких переходов требует внесения низких концентраций примесей. Ширина p-n перехода (x_pn) рассчитывается согласно [1] по формуле:

(1.25)

где e - диэлектрическая проницаемость полупроводника; U_Б – барьерное напряжение.

Формула (1.25) показывает, что ширина p-n перехода зависит от концентрации примесей в р- и n-областях и барьерного напряжения U_Б.

Токи в р-n переходе

Существуют два механизма протекания тока через р-n переход - диффузионный и дрейфовый. Причиной возникновения диффузионного тока является градиент концентрации носителей в области объемного заряда. Некоторые электроны из n-полупроводника за счет энергии теплового дви­жения могут преодолеть энергетический барьер (при условии E ≥ q₀U_Б)и диффузно проникнуть в р-полупровод­ник. Количество электронов, диффузно преодолевших энергетический барьер за время dt, определя­ется из уравнения диффузии и распределения Максвелла - Больцмана:

(1.26)

где D_n – коэффициент диффузии электронов. Определим силу электронной составляющей диффузионного тока:

(1.27)

Полагая градиент концентрации электронов ≈ (n_n – концентрация электронов в n-полупроводнике; l_n – диффузионная длина пробега электронов в р-полупроводнике), получим формулу для расчета электронной составляющей диффузионного тока

(1.28)

Рассуждения, приведенные выше, справедливы и для дырок, диффун­дирующих из р-полупроводника в n-область. Дырочная составляющая диф­фузионного тока

(1.29)

где D_р – коэффициент диффузии дырок, р_р – концентрация дырок в р-полупроводнике; l_р – диффузионная длина пробега дырок в р-полупровод­нике. Диффузионный ток через р-n переход

(1.30)

Формула (1.30) показывает, что сила диффузионного тока экспоненци­ально зависит от высоты энергетического барьера; при уменьшении q₀U_Б диффузионный ток возрастает, а при увеличении q₀U_Бон уменьшается.

Рис. 1.21. Токи в р-n переходе:

а – диффузионный ток; б – дрейфовый ток

При отсутствии смещения на р-n переходе (U_Б = U₀) диффузионный ток рассчитывается по формуле:

(1.31)

Дрейфовый ток на р-n переходе возникает при дрейфовом движении неосновных носителей, находящихся в области объемного заряда, под действием контактного поля. Неосновные носители попадают в область контактного поля диффузионным путем или возникают в результате межзонной тепловой генерации в области объемного заряда и прилегающих к ней р- и n-областях.

Составляющая дрейфового тока, в которой участвуют носители, возникающие при тепловой генерации, называют генерационным током. Сила дрейфового тока не зависит от высоты энергетического барьера между р- и n-областями и растет с увеличением температуры, так как вероятность межзонной генерации экспоненциально зависит от температуры.

При отсутствии внешнего смещения ток р-n перехода равен нулю (иначе бы нарушались законы термодинамики):

I = I_диф(0) – I_др = 0; (1.32)

знак (-) учитывает встречное направление диффузионного и дрейфового токов. Из (1.31) и (1.32) найдем выражение для расчета дрейфового тока (обратного тока насыщения р-n перехода)

(1.33)

На смещенном р-n переходе энергетический барьер изменяется на q₀U, сила тока I = I_диф(U) – I_др, откуда

(1.34)

Выражение называют температурным потенциалом (при Т = 273 К U_T ≈ 0,025 В). После несложных преобразований получим уравнение, описывающее ток через р-n переход, которое называют уравнением Шокли*:

(1.35)

Прямое и обратное включение р-n перехода

В случае прямого включения (U > 0, положительный потенциал источника подключен к р-области, отрицательный – к n-области) E_Б уменьшается и ток экспоненциально (при U U_Т ) увеличивается с ростом напряжения. При обратном смещении (U < 0) с ростом обратного напряжения E_Б увеличивается, экспонента в уравнении (1.35) уменьшается и при достаточно больших обратных напряжениях сила обратного тока приближается к .

Экспериментальный обрат­ный ток p-n перехода значительно превышает теоретическое значение I_наси линейно растет с увеличением обратного напряжения. Это объясняется расширением области объемного заряда и наличием токов утечки по по­верхности полупроводникового кристалла.

а б

Рис. 1.22. Энергетические зоны в области р-n перехода:

а – прямое смещение; б – обратное смещение

Пробой р-п перехода

Пробоем называют резкое увеличение тока через p-n переход, находя­щийся при обратном смещении. Различают 3 вида пробоя: туннельный, лавинный* и тепловой.

При достаточно сильном обратном смещении p-n перехода верхние энер­гетические уровни валентной зоны р-полупроводника находятся выше ниж­них энергетических уровней зоны проводимости п-полупроводника. При этом возможен туннельный переход электронов из валентной зоны р-полу­про водника в зону проводимости п-полупроводника. Вероятность туннелирования резко уменьшается с ростом ширины перехода, поэтому туннель­ный пробой возможен в достаточно узких р-n переходах, которые обра­зуются при контакте р- и п-областей с высокой проводимостью. В крем­ниевых p-n переходах туннельный пробой наблюдается при напряжениях U < 8 В.

Лавинный пробой наблюдается в широких p-n переходах, которые об­разуются при контакте р- и n-областей с низкой проводимостью. При достаточно больших обратных напряжениях контактное электрическое поле ускоряет неосновные носители до энергий, достаточных для ударной иони­зации атома решетки. В процессе ионизации возникают новые носители, которые также будут ускоряться контактным полем, вызывая повторные процессы ионизации, что в результате приводит к развитию в области пере­хода элетронно-дырочных лавин. В кремниевых p-n переходах лавинный пробой наблюдается при напряже­ниях U_пр > 8 В.

Рис. 1.24. Механизм лавинного пробоя p-n перехода:

1 - генерация электронно-дырочной пары; 2 - ускорение электрона контактным полем;

3 - ударная ионизация атома решетки, приводящая к образованию новой электронно-дырочной пары; 4 - повторная ударная ионизация атома решетки

Тепловой пробой происходит в том случае, если тепловая мощность, вы­деляемая в области p-n перехода при протекании тока, больше мощности, отдаваемой наружу поверхностью прибора; при этом происходит перегрев и необратимое разрушение p-n перехода.

Ток, при котором происходит теп­ловой пробой, является критическим для перехода. Увеличить значение критического тока можно, улучшая условия теплоотдачи от поверхности прибора, например при помощи механического контакта прибора с массив­ным радиатором.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-п перехода

Рис. 1.25. График зависимости тока p-n перехода от напряжения:

I - прямой ток; II - обратный ток (U < U_пр);III - электрический пробой