Электродно – дырочный переход и его свойства.
Особые свойства приобретают полупроводники, состоящие из двух или нескольких соприкасающихся слоем с различными типами проводимости.
Область, где имеется переход от полупроводника с электронной проводимостью к полупроводниковому с дырочной проводимостью называют электронно – дырочным переходом или р – n переходом.
Свойства р – nперехода лежат в основе принципа действия многих полупроводниковых приборов.
+ _
+ _
n + _ P
В nобласти монокристалла концентрация электронов преобладает над концентрацией электронов в Робласти. В робласти наоборот концентрация дырок в nобласти.
Под действием разности концентраций в монокристалле возникает диффузия основных носителей электрических зарядов. Электроны из n области переходят в р область, а дырки из р области – в n область. В результате диффузии основных носителей у границы раздела областей остаются некомпенсированнымиионизированные атомы акценторной и донорской примесей.
Следовательно в области р – n перехода, благодаря диффузии дырок и электронов, создаются области с избыточной концентрацией ионов.
При уходе дырок из робласти вn область, в р область остаются отрицательные ионы акцепторов, а при уходе электронов из n области вр область положительные ионы доноров. Положительные и отрицательные ионы атомов примеси прочно связаны с атомами основного полупроводника, и перемещаться не могут. Поэтому вр области на границе перехода создается отрицательный заряд, а в nобласти на границе положительный заряд.
Между этими областями возникает внутреннее электрическое поле, которое называют внутренним диффузионным полем Езап р – n перехода, а так же устанавливается контактная разница потенциалов, зависящая от материала полупроводника, вида примеси, степени ее концентрации.
В результате, области, применяющие к границе перехода, окажутся обедненными, основными носителями зарядов.
Таким образом, в приконтактной области образуется весьма тонкий слой, почти линейный подвижных электрических зарядов и обладающий большим омическим сопротивлением, называемый запорным слоем.
Внутреннее поле Езапдля основных носителей зарядов является запорным или тормозящим, а для не основных ускоряющим. Неосновные носители заряда свободно проходят внутреннее поле перехода и создают ток дрейфа – ток проводимости. Основные носители зарядов,преодолевая тормозящее поле, создают диффузионный токнаправления,которого обратно направленного тока дрейфа.
В силу динамического равновесия при отсутствии внешнего поля указанные токи равны, поэтому суммарный ток через рn переход равен нулю. Такое состояние р – n перехода называется равновесным.
U
- +
Eвн
+ _
+ _
n+ _ P
Если к р – n переходу приложить прямое внешнее напряжение как показано на рисунке то есть подсоединив положительный полюс к р области, а отрицательный к n области то при этом электрическое поле Евн не совпадает с направлением поля Езап. Что вызовет уменьшение толщины запирающего поля и высоты потенциального барьера. Уменьшение высоты потенциального барьера приведет к росту диффузионных токов основных носителей, а токи дрейфа несколько уменьшатся. В результате через р – nпереход будет протекать результирующий ток называемый прямым током. Прямой ток Jпр протекает от р к n область через запорный слой р – nперехода.
U
+ -
Eвн
+ _
+ _
n+ _ P
Езап
Если р – n переходу подключить обратное напряжение: то есть к n области плюсовой полис, а к р области минусовой, то внешнее напряжение увеличивает напряженность внутреннего поля. А значит, увеличивает ширину запорного слоя и высоту потенциального барьера. Токи дрейфа (неосновных носителей), почти такие же значения, как и при отсутствии внешнего напряжения. Ток же основных носителей отсутствует. В результате через р – n переход протекает ток дрейфа неосновных носителей. В отличие от прямого тока этот ток протекает от р к n области и называется обратным током Jобр.
Обратный ток пропорционален концентрации неосновных носителей и во много раз меньше прямого тока.
С ростом температуры и освещенности обратный ток увеличивается.
Поскольку обратный ток меньше прямого примерно на шесть порядков можно считать что полупроводник с р – n переходом обладает односторонней проводимостью.
Jпр
Jобр
Uобр Uобр
Umax
Uпров
Jобр
На рисунке приведена вольтамперная характеристика р – nперехода. При работе приборов с электронно-дырочным переходом наблюдается его разогрев.
При работе р – n перехода может наблюдаться его пробой, который сопровождается ростом обратного тока. Пробой наступает при обратном напряжении равном напряжению пробоя, величина которого зависит от материала и конструкции прибора.
При увеличении обратного напряжения растет напряженность внутреннего поля р – n перехода. Увеличение напряженности поля приводит к увеличению скорости подвижных носителей. При достаточной скорости благодаря разрыву ковалентных связей образуются добавочные электроны и дырки. Этот процесс, называемый лавинным размножением, приводит к очень быстрому нарастанию обратного потока.
Лавинный пробой является обратным, если он не переходит в тепловой.
Наличие объемных зарядов и электрического поля в обедненном слое придает р – n переходу свойство емкости. Эта емкость называется барьерной.
где
Ер – относительная электронная проницаемость
Сб – барьерная емкость
S – Площадь перехода
d – Ширина запорного слоя
Барьерная емкость используется в варикапах. В других приборах она считается вредной.
Биполярные транзисторы.
Транзисторами называются активные полупроводниковые приборы, применяемые для усиления и генерирования электрических колебаний.
Транзисторы подразделяются на:
- Биполярные
- Полевые (униполярные)
Э – Эмиттер
Б – База
К – Коллектор
Биполярный транзистор представляет собой монокристалл, в котором созданы три области с чередующимися типами проводимости:
n – p – nилиp – n – p
Среднюю область называют базой, а крайние эмиттером и коллектором. Между эмиттером и базой создается электронно-дырочный переход, называемый эмиттерным, между базой и коллектором – коллекторный.
Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков. Различие между ними заключается лишь в том, что в транзисторе p – n – pток создается дырками, а в транзисторе n – p – nток создается электронами.
Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных носителей зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу.
При использовании транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном.
Jэ р n р Ср
NUвхJк Rn
Еэ Ек Uвых
+ - + -
Инжекция эмиттерного перехода оценивается коэффициентом инжекции ʝ, который равно отношению эмиттерного тока, обусловленного носителями эмиттера ℐэ1 к общему току эмиттера ℐэ. Общий ток эмиттера создается как основными носителями эмиттерной области так и основными носителями базы ℐэ2.
где
ʝ- коэффициент инжекции
ℐэ – общий ток эмиттера
ℐэ1 – ток созданный носителями эмиттера
ℐэ2 – ток эмиттера созданный основными носителями базы
Для повышения эффективности эмиттера и уменьшения составляющей базового тока ℐэ2 область эмиттера делают с большей концентрацией основных носителей чем в области базы.
Инжекция – излучение; испускание носителей зарядов, впрыскивание зарядов.
Инжектируемые эмиттером основные носители в базовой области не являются основными. При прямом смещении эмиттерного перехода количество неосновных носителей в базе вблизи эмиттера значительно возрастает. В результате в базовой области создается диффузионный поток неосновных носителей в направлении от эмиттерного перехода, где их меньше. Неосновные носители базы под действием ускоряющего поля втягиваются в область коллектора, что приводит к созданию в его цепи управляемого коллекторного тока ℐку.
ℐку – управляемый ток коллектора.
Необходимо отметить, что не все инжектированные в базу носители учувствуют в создании коллекторного тока. Наибольшее их количество успевает рекомбенировать с основными носителями, создавая в базовой цепи небольшой ток рекомбинации ℐр, который является одной из составляющих базового тока.