Поверхность полупроводника, Поверхностные и контактные явления, страница 6

Ударная ионизация и напряжение пробоя. Генерационный ток.

Что произойдет, если увеличивать обратное напряжение. В конце концов поле в ОПЗ может достигать такого предела, что носитель заряда может разгоняться им до таких энергий (больше величины запрещенной зоны), что способен родить электрон-дырочную пару. Эти носители заряда так же находятся в области ОПЗ (области сильного поля) и ускоряясь полем, также способны разогнаться до больших энергий. Процесс развивается лавинообразно, и обратный ток резко возрастает.

Было обнаружено, что зависимость обратного тока от напряжения не всегда экспоненциальна, а иногда корневым образом возрастает с напряжением. Это из-за так называемого генерационного тока (который если не приложено внешнее напряжения также уравновешен). Если в области ОПЗ рождаются электрон и дырка (скажем в результате термической ионизации), то, в поле ОПЗ дырка всплывает в p-область, а электрон выбрасывается в n-область. Это создает добавочный обратный ток, который пропорционален количеству рождающихся в области ОПЗ электронов и дырок. Так как размер ОПЗ пропорционален корню из напряжения, то и генерационный ток также пропорционален корню из напряжения.

Приборное применение p-n переходов.

Перечислим лишь некоторые электронные устройства, использующие p-n переходы. Подробнее с этим вопросом можно ознакомиться в книгах 1.4, 3.17, 3.18.

1) Выпрямители тока. Для производства высоковольтных выпрямителей используется высокочистый высокоомный кремний. Время жизни неосновных носителей заряда в таком кремнии велико, так что быстродействие их невелико.

2) Лавинные диоды. Используются в качестве защитных устройств от скачков напряжения.

3) Фотодиоды (обратно смещенные p-n переходы). Лавинные фотодиоды. Спектральная чувствительность фотодиодов. P-i-n-структуры.

4) Светодиоды (p-n переходы при прямом смещении).

5) Солнечные элементы. Фото-ЭДС. Фототок.

Лекция 25. Биполярные и полевые транзисторы.

Энергетическая диаграмма p-n-p переходов. Коллектор, база, эмиттер. Первые эксперименты по эффекту поля. Пиннинг уровня Ферми на поверхности. МОП-структуры. Основные характеристики полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы.

На рисунке 8.6 схематично представлен биполярный транзистор. Он состоит из полупроводника p-типа (на рисунке слева - эмиттер), полупроводника n-типа (на рисунке в центре - база) и полупроводника p-типа (на рисунке слева - коллектор), так называемый p-n-p транзистор (физический принцип n-p-n транзисторов будет таким же). Рассмотрим зонную диаграмму данной структуры а) без внешнего смещения и б) с внешним смещением (рисунок 8.7).

Рисунок 8.6. Схематичное изображение биполярного p-n-p транзистора.

Рисунок 8.7. Схематичное изображение зонной диаграммы p-n-p транзистора вверху – без смещения, внизу - с внешним смещением.

А) Предположим, что в базу из внешнего источника тока эмитируются электроны, создавая ток I_б. И слева и справа для этих электронов существует барьер, высота которого много больше kT, преодолеть который большинство из них не в состоянии. Более вероятным процессом является их рекомбинация с дырками из соседних p – областей, для которых n-база является барьером.

Б) Приложим к коллектору отрицательный потенциал. Рассмотрим ситуацию, когда толщина базы W много меньше длины диффузии дырок L_p. Для дырок из области эмиттера, база является барьером (который немного спрямляется прямым смещением от внешнего источника). Но некоторая часть достаточно «горячих» дырок способна преодолеть этот барьер, и так как толщина базы мала, большая их часть a (к примеру 0.99) пролетают над барьером не прорекомбинировав с электронами, достигают области правого n-p перехода, поле которого их ускоряет. Течет ток эмиттер-коллектор. Предположим теперь также, что в базу из внешнего источника тока мы начали эмитировать электроны, создавая ток I_б. Эмитированные в базу электроны своим отрицательным потенциалом притягивают дырки из эмиттера (понижая барьер эмиттер-база). Дырки из эмиттера устремляются в базу, чтобы прорекомбинировать с электронами, но 99% из них проникают в коллектор. Значит I_к=aI_э. С другой стороны, когда уже установилась квази-стационарная ситуация и нигде не происходит накопления заряда, то I_э=I_к+I_б. Значит, отношение токов I_э к I_б составляет 1/(1-a). Наш транзистор работает в режиме усиления по току с коэффициентом усиления 100.