Главная страница  Транзисторные схемы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [ 37 ] 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223

акцепторные атомы алюминия могут создать паразитный прикон-тактный р-слой; в результате вместо омического контакта, получится выпрямляющий р-п переход. Чтобы избежать такого осложнения, поверхность п-кремния дополнительно легируют донорами, превращая ее в п*-слой, после чего контакт приобретает структуру, показанную на рис. 2-18.

В заключение заметим, что приповерхностные потенциальные барьеры могут быть обусловлены не только контактом с металлом, как показано выше, или внешним электрическим полем (см. раздел Эффект поля в гл 1), но и чисто внутренними причинами: наличием поверхностных энергетических уровней или, как говорят, поверхностных состояний (с. 46). Эти уровни в принципе могут иметь как донорный, так и акцепторный характер, и тогда приповерхностная область полупроводника обогащена соответственно либо электронами, либо дырками. В кремнии - основном материале современной транзисторной техники - поверхностные уровни являются донорными. Значит, энергетические зоны в кремнии с самого начала (т. е. до контакта с металлом и до подачи внешнего напряжения) искривлены вниз и на поверхности имеегся начальный поверхностный потенциал фо отрицательной полярности. Этот начальный потенциал меняется в ту или иную сторону в зависимости от знаков контактной разности потенциалов металл-полупроводник и приложенного напряжения.

2-5. АНАЛИЗ ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО ДИОДА

Несмотря на то что диод представляет собой один из простейших полупроводниковых приборов, процессы, происходящие в нем, достаточно сложны. Для того чтобы выяснить главные особенности диода, проведем сначала упрощенный анализ, а затем (в последующих параграфах) уточним полученные результаты.

Исходные предпосылки. Будем, как и раньше, считать р~п переход несимметричным и р-слой значительно больше легированным, чем п-слой. При этом, как известно, инжекция и экстракция носят односторонний характер 1см. (2-15)]; следовательно, можно сосредоточить внимание на анализе процессов в базе, а результаты анализа распространить затем на аналогичные, но менее существенные процессы в эмиттере.

Анализ существенно упрощается, если принять следующие допущения.

1. Слой базы является ярко выраженным электронным полупроводником. Это значит (см. с. 77), что вместо объединенного электронно-дырочного уравнения (1-102) можно пользоваться уравнением (1-78а), положив дЕ/дх - 0.

2. Концентрация дырок, инжектируемых в базу, невелика, т. е. выполняется условие низкого уровня инжекции (1-109). При этом полная концентрация дырок в базе (р = Ро + Ар) остается значительно меньше концентрации электронов (п = По + An).



йп(0)

йрф)

Следовательно, согласно (1-76) можно пренебречь дрейфовой составляющей дырочного тока в базе. По аналогичным причинам можно пренебречь дрейфовой составляющей электронного тока в эмиттере. Соответственно вместо уравнения непрерывности (1-78а) можно пользоваться уравнением диффузии (1-79а).

3. Падение напряжения в нейтральном слое базы (а тем более эмиттера) значительно меньше внешнего напряжения, так что последнее можно считать приложенным непосредственно к переходу. Это условие выполняется при достаточно малых токах и сопротивлении базы.

4. Ширина перехода настолько мала, что процессами генерации и рекомбинации в области перехода можно пренебречь. Это дает право считать электронные токи на обеих границах перехода одинаковыми; то же самое относится к дырочным токам.

5. Обратные напряжения значительно меньше напряжения пробоя, так что можно пренебречь пред-пробойными явлениями в переходе.

6. Отсутствуют всякого рода поверхностные утечки, шунтирующие переход, а следовательно, и токи утечки, которые, вообще говоря, добавляются к токам инжекции и экстракции.

Учитывая принятые допущения, работу диода можно описать следующим образом. При прямом смещении перехода концентрация дырок на его базовой границе повышается, и эти избыточные дырки диффундируют в глубь базы. По мере удаления от перехода концентрация дырок убывает и в установившемся режиме получается некоторое распределение избыточных дырок Др {х) (рис. 2-19, а). Инжекция дырок в базу нарушает ее нейтральность и вызывает приток избыточных электронов из внешней цепи. Эти электроны распределяются таким образом, чтобы компенсировать поле дырок, т. е. накапливаются в той же области, что и дырки. Поэтому кривые Ар {х) и Дп (х) оказываются почти одинаковыми *. Небольшая разница между этими кривыми обусловлена различием подвижно-


Рис. 2-19. Распределение носителей в диодах с толстой и тонкой базами.

а - прн прямом смещении; б - при обратном смещении.

Поскольку в п-базе п р, кривые п (х) должны были бы лежать намного выше, чем кривые р (к). Чтобы избежать этого, на рис, 2-19 сделан разрыв на оси ординат.



стей электронов и дырок (эффект Дембера, см. с. 76). В установившемся режиме в базе протекает диффузионный дырочный ток, который согласно (1-73а) пропорционален градиенту концентрации в. каждой точке кривой Др (х). Очевидно, что этот ток уменьшается с удалением от перехода. Так как полный ток диода должен быть одинаковым в любом сечении, то уменьшение диффузионного дырочного тока сопровождается ростом электронной составляющей. Структура полного тока рассмотрена в § 2-8. Однако значение полного тока удается вычислить без учета этой структуры, если воспользоваться сделанными выше допущениями.

Действительно, учитывая допущения 2 и 4, можем записать для базовой границы перехода:

/ (0) = ]р (0) + / (0) = /р д ф (0) -f / д ф (-1),

где координата х = -/ соответствует эмиттерной границе. В одномерном случае (см. рис. 2-8) плотность тока / (0) сохраняется в любом сечении; в неодномерном случае (когда площадь сечения есть функция координаты х) плотность тока непостоянна, но полный ток / = / (0) S (0) сохраняет свое значение в любом сечении. Реальные структуры полупроводниковых диодов и транзисторов неодномерные; однако анализ (во избежание серьезных математических трудностей), как правило, проводится применительно к одномерной модели (в данном случае применительно к рис. 2-8), после чего в случае необходимости делаются те или иные поправки на неодномерность.

Таким образом, чтобы рассчитать ток диода, нужно, зная приложенное напряжение, найти распределения дырок в базе и электронов в эмиттере, определить градиенты этих распределений соответственно в точках x = Oux = -li\ затем с помощью формул (i-73) получить компоненты полного тока /р диф (0) и / диф (-/). Эта задача решается в следующем разделе применительно к дырочному компоненту - главному в несимметричном переходе р*-п.

Решение диффузионного уравнения. Чтобы получить статическую вольт-амперную характеристику диода, нужно найти стационарное распределение дырок в базе. Для этого в уравнении диффузии (1-79а) следует положить dAp/dt = О, после чего оно легко приводится к виду (1-1106):

-Й = 0- (2-26)

Здесь для простоты опущен индекс р при параметре L [см. (1-111)].

Как известно, решением (2-26) является сумма двух экспонент:

Др (X) = Аг,еТ + Лге- (2)

Для того чтобы в решении (2-27) определить коэффициенты 1 и Ла, нужно знать граничные условия. В § 1-13 (разд. Моно-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [ 37 ] 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223

© 2000 - 2021 ULTRASONEX-AMFODENT.RU.
Копирование материалов разрешено исключительно при условии цититирования.