Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Перехід метал-напівпровідник

]

У сучасних напівпровідникових приладах крім контактів з електронно-дірковим переходом застосовуються також контакти між металом і напівпровідником. Процеси в таких переходах залежать від так званої роботи виходу електронів, тобто від тієї енергії, яку повинен затратити електрон, щоб вийти з металу або напівпровідника. Чим менше робота виходу, тим більше електронів може вийти з даного тіла. Розглянемо процеси в різних метал-напівпровідникових переходах (рис.2.5). Якщо в контакті металу з напівпровідником n -типу (рис.2.5.а) робота виходу електронів з металу А_М менша, ніж робота виходу з напівпровідника А_n, то буде переважати вихід електронів з металу в напівпровідник. Тому в шарі напівпровідника біля границі нагромаджуються основні носії (електрони), і цей шар стає збагаченим, тобто в ньому збільшується концентрація електронів. Опір цього шару буде малим при будь-якій полярності прикладеної напруги, і, отже, такий перехід не має випрямляючих властивостей. Його називають невипрямляючим(омічний)контактом.

Подібний же невипрямляючий перехід виходить в контакті металу з напівпровідником р -типу (рис.2.5.б), якщо робота виходу електронів з напівпровідника менше, ніж з металу (А_n < А_М). У цьомувипадку з напівпровідника в метал надходить більше електронів, ніж в зворотному напрямку, і в приграничному шарі напівпровідника також утвориться область, збагачена основними носіями (дірками), що має малий опір. Обидва типи невипрямляючих контактів широко використовуються в напівпровідникових приладах для формування виводів від n - і р -областей. Для цієї мети підбираються відповідні метали.

Інші властивості має перехід, показаний на рис.2.5.в). Якщо в контакті металу з напівпровідником n- типу А_п < А_м, то електрони будуть переходити головним чином з напівпровідника в метал і в приграничному шарі напівпровідника утвориться область, збіднена основними носіями і тому що має великий опір. Тут виникає порівняно високий потенційний бар'єр, висота якого буде істотно змінюватися в залежності від полярності прикладеної напруги. Такий перехід має випрямляючі властивості. Подібні переходи в свій час досліджував німецький вчений В. Шоткі, і тому потенціальний бар'єр, який виникає в цьому випадку, називається бар'єром Шоткі, а діоди з цим бар'єром - діодами Шоткі. У діодах Шоткі (в металі, куди приходять електрони з напівпровідника) відсутні процеси нагромадження і розсмоктування зарядів неосновних носіїв, характерні для електронно-діркових переходів. Тому діоди Шоткі характеризуються більш високою швидкодією, ніж звичайні діоди, оскільки нагромадження і розсмоктування зарядів процеси інерційні, тобто вимагають багато часу.

Аналогічні випрямляючі властивості має контакт металу з напівпровідником типу p при
А_м < А_п.

2.5.ВОЛЬТ-АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА НАПІВПРОВІДНИКОВОГО N-P ПЕРЕХОДУ

Важливе значення в теорії напівпровідникових приладів займає аналітична залежність між струмом, який протікає через n-p -перехід і напругою, яка до нього прикладена – вольт-амперна характеристика n-p -переходу .

Вольт-амперна характеристика n-p -переходу описується наступним виразом

(2.1)

де – напруга, яка прикладається до n-p – переходу, φ_Т - температурний потенціал;
І ₀- тепловий струм n-p – переходу.

Тепловий струм залежить від типу матеріалу, з якого виготовлений n-p- перехід, ступеня легування матеріалу домішками і температури. Оскільки концентрація пропорційна, значення для кремнію на три порядки менша меша, ніж у германію, то теоретично тепловий струм n-p -переходу, який виготовлений на основі кремнію, на п’ять-шість порядків менший від теплового струму переходу, який виготовлений на основі германію.

Рис.2.6. Вольт-амперна характеристика ідеалізованого n-p- переходу (діода)

Вольт-амперна характеристика ідеалізованого n-p- переходу у відносних одиницях наведена на рис. Аналіз виразу дозволяє зробити важливі висновки. Оскільки при кімнатній температурі (Т_нор =20 ^оС) φ_Т ≈25 мВ, то при прямих напругах, які перевищують 0,1 В, у відповідності з виразом можна нехтувати одиницею в порівнянні з експоненціальним членом, а при від’ємних напругах експоненціальний член стає малий у порівнянні з одиницею. Отже прямий струм через перехід збільшується за експоненціальним законом при зростанні прямої напруги. При зворотному ввімкнені струм через перехід стає дуже незначним, рівним тепловому струму, і не залежить від напруги. Таким чином, значення і напрямок струму, який протікає через n-p- перехід, залежить від значення і знаку прикладеної до переходу напруги.

Прямі напруги, при яких через германієвий і кремнієвий переходи протікають одинакові прямі струми, які відрізняються за значенням. Це пояснюється відмінністю їх теплових струмів. Для отримання однакових прямих струмів до кремнієвого переходу необхідно прикласти на 0,4 В більшу від германієвого. Тому вольт-амперні характеристики кремнієвого і германієвого переходів, які побудовані в одному масштабі по осі струмів, мають різну форму: характеристика кремнієвого переходу зсунута по осі напруги на декілька десятих часток вольта.

Положення вольт-амперної характеристики n-p -переходузалежить від температури. Температурна залежність зворотної ділянки вольт-амперної характеристики зумовлена температурними змінами теплового струму. Тепловий струм пропорційний концентрації неосновних носіїв заряду в базі. Оскільки концентрація неосновних носіїв заряду із збільшенням температури збільшується за експоненціальним законом, то у відповідності з цим законом збільшується і тепловий струм. Для практичних розрахунків залежність

(2.2)

де і – теплові струми при поточній (Т) і відомій температурі (Т ₀); - перепад температур; - температура подвоєння - це температура при якій значення теплового струму подвоюється. Для приблизних розрахунків приймають: - для германієвого переходу і - для кремнієвого переходу. При кімнатній температурі типове значення теплового струму для кремнієвого переходу складає а для германієвого -

Пряма ділянка вольт-амперної характеристики дуже крута і задавати напругу для отримання необхідного значення прямого струму є важко. Тому для n-p- переходів характерний режим заданого прямого струму. Для дослідження залежності , записують аналітичний вираз для вольт-амперної характеристики в наступній формі

(2.3)

Для кремнієвих переходів, які мають мале значення теплового струму, можна користуватися спрощеним виразом

(2.4)

При широкому діапазоні зміни прямих струмів пряма напруга також може змінюватися суттєво. Проте на практиці діапазон зміни струмів рідко буває широким, і пряма напруга в робочому діапазоні змінюється дуже незначно. Наприклад, для нормального режиму за струмом , пряма напруга змінюється від 0,64 В до 0,69 В, а в діапазоні мікрорежиму за струмом відповідна зміна напруги буде лежати в діапазоні від 0,52 В до 0,57 В. Таким чином, в межах робочого діапазону прямих струмів пряму напругу можна вважати сталою і розглядати як параметр відкритого кремнієвого переходу. Цей параметр позначають і називають напругою відкритого переходу. При кімнатній температурі вважають, що в нормальному режимі для кремнію , а в мікрорежимі - .

Якщо пряма напруга на 0,1В менша від напруги , то перехід можна вважати практично закритим. В зв’язку з цим вводять величину, яку називають пороговою напругою або напругою відкривання переходу .

Рис.2.7. Вольт-амперні характеристики ідеалізованих германієвого (Ge) і кремнієвого (Si) діодів

Температурна залежність струму І ₀ і показника експоненти зумовлена залежність від температури прямої ділянки вольт-амперної характеристики n-p - переходу. Зміна прямої напруги при зміні температури оцінюють температурним коефіцієнтом напруги (ТКН), який характеризує інтенсивність зсуву вольт-амперної характеристики n-p -переходу по осі напруг. Температурний коефіцієнт напруги переходу має від’ємний знак, при збільшенні температури ТКН зменшується. При розрахунках ТКН n-p -переходів з кремнію і германію переважно приймають ТКН ≈ - 2 мВ/ ^oC. Як видно з рис.2.7 при збільшенні температури пряма напруга на переході зменшується.

Важливою властивістю ідеальної ВАХ є зворотна залежність між тепловим струмом і прямою напругою: чим менший тепловий струм, тим більша пряма напруга на переході і навпаки. Тому в германієвих переходах пряма напруга, при інших однакових умовах, на 0,35В менша і складає приблизно (0,3 – 0,15) В. Ще одним наслідком зворотної залежності між U_пр і I ₀ є те, що пряма напруга зменшується при збільшенні площі переходу.

Однією з особливостей реальної ВАХ є наявність омічного спаду напруги на ділянці баз переходу. Оскільки ділянка бази має достатньо велике значення опору бази, то зовнішня напруга не повністю прикладається до переходу, а розподіляється між ним і ділянкою бази. В цьому випадку пряма напруга буде визначатися сумою напруг

(2.5)

Оскільки перша складова залежить від струму лінійно, а друга – логарифмічно, то при достатньо великому значенні струму ВАХ завжди вироджується і стає більш пологою
(див. рис.2.8). Таке виродження настає при струмі виродження

(2.6)

Оскільки опір бази при малій площі переходу може складати десятки омів, то виродження ВАХ настає при порівняно малих струмах (0,2÷0,5) мА.

Якщо пряма напруга на переході перевищує напругу контактної різниці потенціалів, то висота потенціального бар’єру падає практично до нуля і ВАХ стає квазілінійною.

Рис.2.8. Пряма вольт-амперна характеристика реального напівпровідникового діода

Ця ділянка ВАХ називається омічною. Але строга лінійність ділянки не витримується в зв’язку з явищем модуляції опору бази, яке полягає в зменшенні опору бази завдяки збільшені концентрації надлишкових носіїв при великих прямих струмах. В цьому режимі ВАХ переважно описується залежністю , де к - коефіцієнт пропорційності.

Властивості n-p -переходу можна характеризувати рядом диференціальних параметрів. Диференціальним називають параметр, який отримують як відношення малих приростів величин, які визначають цей параметр. Один з важливих параметрів прямої ділянки
ВАХ - диференціальний опір n-p –переходу, для початкової ділянки ВАХ він дорівнює

(2.1)

Диференціальний опір переходу обернено пропорційний значенню прямому струму і переважно складає (одиниці – десятки) Ом. В мікрорежимі значення опору переходу різко зростає і може досягати декількох кілоомів.

Зворотна ділянка ВАХ n-p- переходу

Реальний струм переходу набагато перевищує значення теплового струму. Одна з причин – це генерація пар електрон-дірка в ділянці переходу, який зміщений у зворотному напрямку. Складова зворотного струму, зумовлена цим явищем називається струмом термогенерації. У зрівноваженому стані швидкість генерації і рекомбінації однакова, тому відсутні потоки направлених носіїв зарядів. Коли до переходу прикладається зворотна напруга, то область переходу додатково збіднюється носіями заряду. Тому процес рекомбінації сповільнюється, а процес генерації виявляється не зрівноваженим. Надлишкові носії заряду виносяться електричним полем: електрони в n- область, а дірки в p- область і створюють струм термогенерації. Для кремнію струм термогенерації приблизно складає Крім великого значення, в порівнянні з тепловим струмом, струм термогенерації залежить від зворотної напруги і менше залежить від температури ().

Рис.2.9. Зворотна ділянка вольт-амперної характеристика реального напівпровідникового діода

Пробій n-p -переходу

Розрізняють два види (механізми) пробою n-p- переходу при достатньо великих зворотних напругах: електричний і тепловий. В свою чергу електричний пробій зв’язаний із збільшенням напруженості електричного поля в n-p - переході і поділяється на лавинний і тунельний. Тепловий пробій пов’язаний із збільшенням потужності, яка на ньому розсіюється з підвищенням температури переходу.

Основі лавинного пробою лежить явище розмноження носіїв заряду в сильному електричному полі, яке діє в ділянці n-p - переходу. Електрони і дірки, які прискорені полем на ділянці вільного пробігу, можуть розірвати однин з ковалентних зв’язків нейтрального атома напівпровідника. В результаті виникає нова пара електрон-дірка і процес повторюється вже з участю нових носіїв. Зворотний струм при цьому значно зростає. При достатньо великому напруженні електричного поля, коли початкова пара носіїв генерує більш як одну пару носіїв, то іонізація набуває лавинний характер. В цьому випадку струм пробою буде обмежуватися тільки зовнішнім опором. Лавинний пробій характерний для переходів з високим значенням питомого опору бази.

В основі тунельного пробою покладений тунельний ефект, який полягає в тому, що при малій товщині n-p - переходу електрони можуть проходити через перехід без зміни своєї енергії. Тунельний пробій характерний для переходів з низьким значенням питомого опору бази. Граничне значення напруги пробою, вище якого пробій лавинний, а нижче – тунельний, складає 5 В.

Однією з особливостей лавинного і тунельного пробоїв є різний знак температурного коефіцієнта напруги пробою (ТКНП), для лавинного пробою характерний додатний знак ТКНП, а для тунельного – від’ємний.

В основі теплового пробою є явище саморозігріву n-p - переходу при протіканні зворотного струм. При зростанні температури зворотний струм різко зростає, що викликає збільшення потужності, яка виділяється на переході, що приводить до додаткового зростання температури і.т.д. Характерна особливість ВАХ при тепловому пробою є наявність ділянки з від’ємним диференціальним опором. Напруга теплового пробою визначається за таким виразом

, (2.7)

де R_t – тепловий опір переходу ^о С / Вт; І_зв – зворотний опір переходу при кімнатній температурі.

Виходячи з цього виразу напруга теплового пробою виходить значно більшою від напруги лавинного або тунельного пробоїв. Тепловий пробій не має самостійного значення: він може початися лише тоді, коли зворотний струм досяг достатньо велике значення в результаті лавинного або тунельного пробою.

Рис.2.10. Зворотна ділянка вольт-амперної характеристики діода в режимі лавинного або тунельного пробою

Рис.2.11. Зворотна ділянка вольт-амперної характеристики діода в режимі теплового пробою

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒