Инжекцией называется процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область, где эти носители являются неосновными. Вследствие рекомбинации инжектированных носителей с основными, для данной области, их концентрация убывает по мере удаления от p-n перехода (рис. 9), поэтому инжектированнные носители обладают ограниченным временем жизни t.
В тех местах, где находятся не успевшие рекомбинировать инжектированные носители, условие p n > n 2 i не выполняется. Возникает неравновесное состояние, а инжектирован-ные носители носят название неравновесных.
На рис.9 показано примерное распределение концентрации неравновесных носителей (заштриховано). Для случая бесконечно тонкого и несимметричного p-n перехода (pp >> nn)
|
, (1.16)
где – концентрация дырок в n -области на границе с p -областью при инжекции;
|
|
– концентрация неравновесных носителей на границе;
– концентрация дырок в глубине n - области;
Lp – диффузионная длина пробега дырок в n - области. Она равна расстоянию, на котором концентрация дырок, инжектируемых в n - облaсть, убывает вследствие рекомбинации в e раз:
, (1.17)
где – коэффициент диффузии;
t p – время жизни.
Все сказанное относится и к инжекции электронов.
Инжекция неосновных носителей не приводит к нарушению электронейтральности областей, куда они вводятся, поскольку из внешней цепи поступают дополнительные носители, компенсирующие возможный избыток (цепочка рекомбинаций).
При протекании через переход прямого тока около перехода в p - и n -областях происходит накопление неравновесных носителей. Они образуют пространственные заряды соответствующих знаков. Эти заряды притягивают и удерживают пространственные заряды обратных знаков, создаваемые основными носителями этих областей.
Увеличение прямого напряжения приведет к увеличению концентрации неравновесных и индуцированных зарядов. Это эквивалентно наличию некоторой емкости, получившей название диффузионной.
Изменение напряжения на p-n переходе DU вызывает приращение диффузионного тока, а это приводит к увеличению концентрации неравновесных и индуцированных зарядов DQ.
Если быстро сменить полярность внешнего источника, то в начальный момент во внешней цепи появится значительный обратный ток, обусловленный процессом рассасывания неравновесных носителей заряда. Затем обратный ток станет равным I 0.Это аналогично разряду диффузионной емкости. Ее перезарядки не происходит, поскольку при отсутствии тока диффузии эта емкость исчезает. Для несимметричного p-n перехода (pp >> nn) эта емкость равна
|
|
. (1.18)
При t p = 5 мкс; Ip диф = 10 мА; C диф» 2 мкФ.
Область пространственного заряда p-n перехода имеет двойной электрический слой: из положительно заряженных доноров и отрицательно заряженных акцепторов. Этот слой образует зарядную емкость
, (1.19)
где e – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла;
e0 – диэлектрическая постоянная;
S p-n – площадь перехода;
d p-n – ширина запирающего слоя.
Зависимость этой емкости от внешнего напряжения
, (1.20)
где – зарядная емкость p-n перехода при U = 0. При прямом смещенииширина p-n перехода уменьшается, C заррастет. При обратном – наоборот. При прямом смещении C зар < C диф, при обратном – C зар >> C диф»0.
1.4. Пробой p-n перехода
При превышении допустимых значений напряжений и токов происходит пробой p-n перехода. Различают электрический и тепловой пробой.
Электрический пробой обусловлен тем, что в сильно легированном полупроводнике критическая напряженность электрического поля приводит к увеличению числа пар носителей заряда и росту обратного тока. Электрический пробой бывает лавинным и туннельным.
Лавинный является следствием ударной ионизации атомов кристалла. Носители заряда, попавшие в область пространственного заряда p-n перехода, под действием сильного электрического поля приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристалла. Этот пробой возникает в p-n переходах, толщина которых больше средней длины свободного пробега носителей между их очередными столкновениями с узлами кристаллической решетки. Наблюдается при обратных напряжениях больше 15 В.
|
Тепловой пробой p-n перехода возникает в результате нарушения равновесия между выделяемым в переходе и отводимым от него теплом. С ростом обратного напряжения и тока растет выделяемая мощность и температура перехода. От этого растет обратный ток и еще больше растет мощность. Далее происходит лавинообразный рост температуры, локальный разогрев, расплавление и переход разрушается необратимо.
ГЛАВА 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ