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 Р области. В р области 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 р области в n область, в р область остаются отрицательные ионы акцепторов, а при уходе электронов из n области в р область положительные ионы доноров. Положительные и отрицательные ионы атомов примеси прочно связаны с атомами основного полупроводника, и перемещаться не могут. Поэтому в р области на границе перехода создается отрицательный заряд, а в n области 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 Езап для 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 ток направления,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 – n переход будет протекать результирующий ток называемый прямым током. Прямой ток Jпр протекает от р к n область через запорный слой р – n перехода.

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 – n перехода. 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 – n или p – 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 – p ток создается дырками, а в транзисторе n – p – n ток 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.