Χωρητικότητα διάχυσης και φραγμού της διόδου. Ιδιότητες ημιαγωγών. ικανότητα διάχυσης. Χαρακτηριστικό Volt-ampere της διασταύρωσης p-n

Μια δίοδος ημιαγωγών είναι αδρανής σε σχέση με επαρκώς γρήγορες αλλαγές στο ρεύμα ή την τάση, καθώς δεν δημιουργείται αμέσως μια νέα κατανομή φορέα. Όπως είναι γνωστό, μια εξωτερική τάση αλλάζει το πλάτος της διασταύρωσης, και ως εκ τούτου το μέγεθος των φορτίων χώρου στη διασταύρωση. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια της έγχυσης ή της εξαγωγής, τα φορτία στην περιοχή βάσης αλλάζουν (ο ρόλος των φορτίων στον εκπομπό είναι ασήμαντος). Επομένως, η δίοδος έχει χωρητικότητα που μπορεί να θεωρηθεί συνδεδεμένη παράλληλα με τη διασταύρωση p-n. Αυτή η χωρητικότητα μπορεί να χωριστεί σε δύο μέρη: χωρητικότητα φραγμού, που αντικατοπτρίζει την ανακατανομή των τελών κατά τη μετάβαση, και ικανότητα διάχυσης, αντικατοπτρίζοντας την ανακατανομή των χρεώσεων στη βάση. Μια τέτοια διαίρεση είναι γενικά υπό όρους, αλλά είναι βολική στην πράξη, καθώς η αναλογία και των δύο χωρητικοτήτων είναι διαφορετική για διαφορετικές πολικότητες της εφαρμοζόμενης τάσης. Με μια προς τα εμπρός τάση, ο κύριος ρόλος διαδραματίζεται από τα υπερβολικά φορτία στη βάση και, κατά συνέπεια, από την χωρητικότητα διάχυσης. Όταν η τάση αντιστρέφεται, τα επιπλέον φορτία στη βάση είναι μικρά και η χωρητικότητα φραγμού παίζει τον κύριο ρόλο. Σημειώνουμε εκ των προτέρων ότι και οι δύο χωρητικότητες δεν είναι γραμμικές: η χωρητικότητα διάχυσης εξαρτάται από το προς τα εμπρός ρεύμα και η χωρητικότητα φραγμού εξαρτάται από την αντίστροφη τάση.

Ας προσδιορίσουμε την τιμή της χωρητικότητας φραγμού, θεωρώντας τη μετάβαση ως ασύμμετρο τύπο n + -p. Τότε η έκταση του αρνητικού φορτίου στη βάση τύπου p μπορεί να θεωρηθεί ίση με ολόκληρο το πλάτος της μετάβασης: . Ας γράψουμε την ενότητα αυτής της χρέωσης:

όπου N είναι η συγκέντρωση ακαθαρσιών στη βάση. S - περιοχή μετάβασης. Το ίδιο (αλλά θετικό) φορτίο θα υπάρχει στο στρώμα εκπομπού.

Φανταστείτε ότι αυτά τα φορτία βρίσκονται στις πλάκες ενός φανταστικού πυκνωτή, η χωρητικότητα του οποίου μπορεί να οριστεί ως

Λαμβάνοντας υπόψη την έκφραση για το πλάτος της μετάβασης κατά την αντίστροφη μεταγωγή και διαφοροποιώντας το φορτίο Q σε σχέση με την τάση, τελικά λαμβάνουμε:

(7.10)

όπου και είναι, αντίστοιχα, το πλάτος και το ύψος του φραγμού δυναμικού στην κατάσταση ισορροπίας.

Έχοντας υπόψη ότι η δίοδος έχει χωρητικότητα, μπορείτε να σχεδιάσετε το πλήρες ισοδύναμο κύκλωμά της για εναλλασσόμενο ρεύμα (Εικ. 3.10a).

Η αντίσταση R 0 σε αυτό το κύκλωμα αντιπροσωπεύει τη συνολική σχετικά μικρή αντίσταση των περιοχών n- και p- και των επαφών αυτών των περιοχών με τα καλώδια. Η μη γραμμική αντίσταση R nl με απευθείας σύνδεση είναι ίση με R pr, δηλ. είναι μικρό, και σε αντίστροφη τάση R nl = R arr, δηλ. είναι πολύ μεγάλο. Το δεδομένο ισοδύναμο κύκλωμα σε διάφορες περιπτώσεις συχνοτήτων μπορεί να απλοποιηθεί. Σε χαμηλές συχνότητες, η χωρητικότητα είναι πολύ μεγάλη και η χωρητικότητα μπορεί να αγνοηθεί. Στη συνέχεια, με μια πόλωση προς τα εμπρός, μόνο οι αντιστάσεις R 0 και R pr παραμένουν στο ισοδύναμο κύκλωμα (Εικ. 7.5b),

Εικ.7.5β. Εικ. 7.5γ.

και με αντίστροφη τάση - μόνο η αντίσταση R arr, αφού R 0<< R обр (рис.7.5в).

Στις υψηλές συχνότητες, οι χωρητικότητες έχουν σχετικά μικρή αντίσταση. Επομένως, με μια τάση προς τα εμπρός, λαμβάνεται ένα κύκλωμα σύμφωνα με το Σχ. 7.5d, (αν η συχνότητα δεν είναι πολύ υψηλή, τότε η διαφορά C δεν έχει πρακτικά κανένα αποτέλεσμα).

Εικ.7.5δ. Εικ. 7.5ε.

και στην αντίθετη περίπτωση παραμένουν τα R arr και C b (Εικ. 7.5e).

Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι υπάρχει ακόμη χωρητικότητα C μεταξύ των ακροδεκτών της διόδου, η οποία μπορεί να διακλαδίσει σημαντικά τη δίοδο σε πολύ υψηλές συχνότητες. Η επαγωγή των καλωδίων μπορεί επίσης να εμφανιστεί στον φούρνο μικροκυμάτων.

Ταξινόμηση διόδων.

Η ταξινόμηση των διόδων πραγματοποιείται κυρίως:

1) σχετικά με τις τεχνολογικές μεθόδους για τη δημιουργία ηλεκτρικών συνδέσεων και δομών διόδων

2) ανάλογα με τη λειτουργία των διόδων.

Σύμφωνα με την τεχνολογία κατασκευής, οι δίοδοι μπορεί να είναι σημειακές και επίπεδες. Τα κύρια χαρακτηριστικά των σημειακών διόδων: η περιοχή σύνδεσης p-n είναι μικρή, έχουν μικρή χωρητικότητα (λιγότερη από 1pF), χαμηλά ρεύματα (όχι περισσότερο από 1 ή δεκάδες mA). Χρησιμοποιείται σε υψηλές συχνότητες μέχρι φούρνο μικροκυμάτων. Τεχνολογία: ένα νήμα βολφραμίου επικαλυμμένο με ακαθαρσίες δέκτη (για γερμάνιο - ίνδιο, για πυρίτιο - αλουμίνιο) συγκολλάται σε μια πλάκα γερμανίου τύπου n ή πυριτίου τύπου n χρησιμοποιώντας μεγάλο παλμό ρεύματος.

Επίπεδες δίοδοι: η τεχνολογία κατασκευής μπορεί να είναι είτε σύντηξης είτε διάχυσης. Κατά τη σύντηξη, ένα δισκίο από μεταλλικό υλικό δέκτη, όπως αλουμίνιο, τοποθετείται στην καθαρισμένη επιφάνεια μιας γκοφρέτας ημιαγωγών, συνήθως τύπου n, εάν ο ημιαγωγός είναι πυρίτιο. Όταν θερμαίνεται στους 600 ... 700 0 C, λιώνει και διαλύει το παρακείμενο στρώμα πυριτίου, το σημείο τήξης του οποίου είναι πολύ υψηλότερο. Μετά την ψύξη κοντά στην επιφάνεια της πλάκας, ένα στρώμα πυριτίου τύπου p + κορεσμένο με αλουμίνιο (εκπομπός τύπου p, βάση τύπου n). Διάχυση: τα άτομα ακαθαρσίας εισέρχονται συνήθως σε μια πλάκα ημιαγωγών από ένα αέριο μέσο μέσω της επιφάνειάς της σε υψηλή θερμοκρασία (περίπου 1000 0) και διαδίδονται σε βάθος λόγω της διάχυσης, δηλ. θερμική κίνηση. Η διαδικασία πραγματοποιείται σε ειδικούς κλιβάνους διάχυσης, όπου η θερμοκρασία και ο χρόνος της διαδικασίας διατηρούνται με υψηλή ακρίβεια. Όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος και η θερμοκρασία, τόσο περισσότερο οι ακαθαρσίες διεισδύουν στο βάθος της πλάκας. Η διασταύρωση pn διάχυσης αποδεικνύεται επίπεδη και η περιοχή της είναι μεγάλη και ίση με την περιοχή της αρχικής πλάκας, τα ρεύματα λειτουργίας φτάνουν σε δεκάδες αμπέρ.

Ανάλογα με τη λειτουργία που εκτελείται, διακρίνονται ανορθωτής, παλμός, μετατροπέας, μεταγωγή, δίοδοι ανιχνευτή, δίοδοι zener, varicaps κ.λπ. Ξεχωριστές κατηγορίες διόδων μπορούν να υποδιαιρεθούν σε υποκατηγορίες ανάλογα με το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας (δίοδοι μικροκυμάτων χαμηλής συχνότητας, υψηλής συχνότητας, δίοδοι οπτικού εύρους). Οι δίοδοι διακρίνονται επίσης από ημιαγωγικό υλικό: το πυρίτιο χρησιμοποιείται ευρέως, αντικαθιστώντας το παλαιότερα κοινό γερμάνιο. Οι δίοδοι πυριτίου έχουν υψηλότερη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας (Si - 125 ... 150 0 C, Ge - 70 ... 80 0 C) και αρκετές τάξεις μεγέθους χαμηλότερο αντίστροφο ρεύμα. Ο αριθμός των διόδων αρσενιούχου γαλλίου (ιδιαίτερα των διόδων μετάλλου-ημιαγωγού), οι οποίες υπερέχουν σε παραμέτρους από τις διόδους πυριτίου, αυξάνεται συνεχώς.

Εξετάστε ορισμένους τύπους διόδων και τις κύριες παραμέτρους τους.

1.Ανορθωτές δίοδοι χαμηλής συχνότητας. Χρησιμοποιούνται σε τροφοδοτικά AC.

Οι κύριες ηλεκτρικές παράμετροι της διόδου είναι οι τιμές U ex.avg σε δεδομένο I ex.avg, καθώς και I arr.avg σε δεδομένη τιμή πλάτους (μέγιστη) της αντίστροφης τάσης (U arr.max) τιμές της μπροστινής τάσης και του αντίστροφου ρεύματος για την περίοδο). Για τις διόδους πυριτίου με διασταύρωση pn, οι οποίες είναι πιο συνηθισμένες, το U ave.av δεν υπερβαίνει το 1..1,5 V στους T \u003d 20 0 C. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, αυτή η τιμή μειώνεται και το TKN εξαρτάται από την τιμή του μπροστινού ρεύμα; μειώνεται με την αύξηση του ρεύματος και σε υψηλό ρεύμα μπορεί ακόμη και να γίνει θετικό. Το αντίστροφο ρεύμα των διόδων πυριτίου σε T = 20 0 C, κατά κανόνα, δεν υπερβαίνει τα δέκατα του μA και αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας (η θερμοκρασία διπλασιασμού είναι περίπου 10 0 C). Στο T=20 0 C, το αντίστροφο ρεύμα μπορεί να αγνοηθεί. Η τάση διάσπασης των διόδων πυριτίου είναι εκατοντάδες βολτ και αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Η μπροστινή τάση των διόδων πυριτίου με διασταύρωση μετάλλου-ημιαγωγού είναι περίπου δύο φορές μικρότερη από ό,τι σε διόδους με σύνδεση p-n. Και το αντίστροφο ρεύμα είναι κάπως μεγαλύτερο και πιο έντονα εξαρτάται από τη θερμοκρασία, διπλασιάζοντας για κάθε 6..8 0 C.

Κατά την επιλογή του τύπου της διόδου, λαμβάνονται υπόψη το μέγιστο επιτρεπόμενο ανορθωμένο ρεύμα, η αντίστροφη τάση και η θερμοκρασία. Ανάλογα με το επιτρεπόμενο ρεύμα, δίοδοι μικρού (<300мА), средней (<1А) и большой (>10Α) ισχύς. Η περιοριστική αντίστροφη τάση περιορίζεται από τη διάσπαση της μετάβασης και βρίσκεται στην περιοχή από 50 έως 1500 V. Για να αυξηθεί η επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση, οι δίοδοι συνδέονται σε σειρά. Πολλές δίοδοι συνδεδεμένες σε σειρά, που κατασκευάζονται σε έναν μόνο τεχνολογικό κύκλο και περικλείονται σε ένα κοινό περίβλημα, ονομάζονται πόλος ανορθωτή. Η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας των διόδων πυριτίου φτάνει τους 125..50 0 C και περιορίζεται από την αύξηση του αντίστροφου ρεύματος.

Οι δίοδοι χαμηλής ισχύος με μικρή περιοχή σύνδεσης p-n (λιγότερο από 1 mm 2) δημιουργούνται με σύντηξη, δίοδοι υψηλής ισχύος με μεγάλη επιφάνεια - με διάχυση. Οι δίοδοι ισχύος με διασταύρωση p-n μπορούν να λειτουργήσουν μέχρι συχνότητες συνήθως όχι μεγαλύτερες από 1 kHz και οι δίοδοι με διασταύρωση μετάλλου-ημιαγωγού - έως συχνότητες εκατοντάδων kHz.

Οι δίοδοι γερμανίου έχουν τάση προς τα εμπρός περίπου 1,5..2 φορές μικρότερη από τις διόδους πυριτίου (συνήθως όχι μεγαλύτερη από 0,5 V) λόγω του μικρότερου κενού ζώνης. Καθορίζεται κυρίως από την πτώση τάσης στην αντίσταση βάσης, στην περίπτωση αυτή, TC U pr >0. Το αντίστροφο ρεύμα σε T=20 0 C είναι 2..3 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από ό,τι στις διόδους πυριτίου και εξαρτάται περισσότερο από τη θερμοκρασία. Διπλασιάζοντας για κάθε 8 0 C, σε σχέση με αυτό, η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας είναι πολύ χαμηλότερη (70 ... 80 0 C).

Ο μηχανισμός θερμικής διάσπασης οδηγεί στο γεγονός ότι οι δίοδοι γερμανίου αποτυγχάνουν ακόμη και με βραχυπρόθεσμες υπερφορτώσεις παλμών. Αυτό είναι ένα σημαντικό μειονέκτημα. Η τάση διάσπασης μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Λόγω της μικρής περιοχής διασταύρωσης, τα μέγιστα επιτρεπόμενα συνεχόμενα ρεύματα των διόδων υψηλής συχνότητας είναι μικρά (συνήθως μικρότερα από 100 mA), οι τάσεις διάσπασης, κατά κανόνα, δεν υπερβαίνουν τα 100 V.

3. παλμικές δίοδοι.Σχεδιασμένο για λειτουργία σε παλμική λειτουργία, δηλ. σε συσκευές σχηματισμού και μετατροπής παλμικών σημάτων, κλειδιών και ψηφιακών κυκλωμάτων.

Η πιο σημαντική παράμετρος των παλμικών διόδων είναι ο χρόνος ανάκτησης της αντίστροφης αντίστασης. Χαρακτηρίζει τη μεταβατική διαδικασία εναλλαγής της διόδου από μια κατάσταση με δεδομένο προς τα εμπρός ρεύμα I CR σε μια κατάσταση με δεδομένη αντίστροφη τάση U arr. Το σχήμα 7.6 δείχνει τα διαγράμματα χρονισμού της τάσης και του ρεύματος μέσω της διόδου.

Ο χρόνος ανάκτησης t υπολογίζεται από τη στιγμή t 1 της αλλαγής τάσης στη δίοδο από άμεση σε αντίστροφη μέχρι τη στιγμή t 2 που η αντίστροφη τάση φτάνει σε τιμή 0,1 pr. στιγμή t 1), καθώς και η διαδικασία επαναφόρτισης η χωρητικότητα φραγμού. Στις διόδους μεταγωγής, ο χρόνος ανάκτησης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερος. είναι απαραίτητο να μειωθεί η διάρκεια ζωής των μειοψηφικών φορέων στη βάση, για τους οποίους οι δίοδοι πυριτίου με διασταύρωση p-n εμποτίζονται με χρυσό. Αλλά για τις διόδους πυριτίου, δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί χρόνος ανάκτησης της τάξης του 1 ns. Στο αρσενίδιο του γαλλίου, η διάρκεια ζωής είναι πολύ μικρότερη από ό,τι στο πυρίτιο, και σε διόδους με σύνδεση p-n, είναι δυνατό να ληφθούν t res της τάξης του 0,1 ns. Η μείωση της χωρητικότητας φραγμού επιτυγχάνεται με τη μείωση της περιοχής μετάβασης. Ο συντομότερος χρόνος αποθεραπείας (t re<0.1нс) имеют диоды с переходом металл-полупроводник, в которых отсутствует накопление неосновных носителей при протекании прямого тока. В них время восстановления порядка C б r б определяется процессом перезаряда барьерной емкости перехода через сопротивление базы.

Για όλες τις παλμικές διόδους, η χωρητικότητα καθορίζεται σε μια συγκεκριμένη αντίστροφη τάση και συχνότητα του σήματος AC που χρησιμοποιείται στη μέτρηση. Οι ελάχιστες τιμές χωρητικότητας είναι 0,1…1 pF.

Οι συγκεκριμένες παράμετροι των παλμικών διόδων περιλαμβάνουν το μέγιστο παλμικό αντίστροφο ρεύμα I rev.i.max και τη μέγιστη αντίσταση παλμού r pr.i.max, ίση με την αναλογία της μέγιστης μπροστινής τάσης κατά τη διαδικασία δημιουργίας της προς το προς τα εμπρός ρεύμα. Είναι επιθυμητό οι τιμές αυτών των ποσοτήτων να είναι όσο το δυνατόν μικρότερες.

Για τις παλμικές διόδους, οι στατικές παράμετροι είναι επίσης σημαντικές, οι οποίες καθορίζουν τις τιμές σταθερής κατάστασης του ρεύματος και της τάσης στα κυκλώματα. Αυτές περιλαμβάνουν την τάση προς τα εμπρός σε ένα δεδομένο προς τα εμπρός ρεύμα και το αντίστροφο ρεύμα σε μια δεδομένη αντίστροφη τάση.

4. Δίοδοι Zener.Μια δίοδος zener είναι μια δίοδος ημιαγωγών που έχει σχεδιαστεί για να σταθεροποιεί τις τάσεις στα κυκλώματα. Οι δίοδοι Zener χρησιμοποιούνται σε τροφοδοτικά, περιοριστές, σφιγκτήρες στάθμης, αναφορές τάσης και άλλες συσκευές. Η αρχή της λειτουργίας των διόδων zener βασίζεται στη χρήση διάσπασης χιονοστιβάδας ή σήραγγας στη διασταύρωση p-n. Το σχήμα 7.7 δείχνει ένα τυπικό χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ μιας διόδου zener με αντίστροφη τάση.

Στο τμήμα βλάβης - το τμήμα εργασίας του CVC, η τάση εξαρτάται πολύ ασθενώς από το ρεύμα. Η ελάχιστη τιμή του ρεύματος λειτουργίας I st.min αντιστοιχεί στην αρχή του «κάθετου» τμήματος του χαρακτηριστικού I–V, όπου επιτυγχάνεται μια μικρή διαφορική αντίσταση r diff =ΔU/ΔI. Το μέγιστο ρεύμα I st.max καθορίζεται από την επιτρεπόμενη απαγωγή ισχύος. Η κύρια παράμετρος είναι η τάση σταθεροποίησης U st, η οποία είναι πρακτικά ίση με την τάση διάσπασης, ορίζεται σε μια ορισμένη τιμή του ρεύματος I st στην περιοχή εργασίας.

Το κύκλωμα μεταγωγής διόδου zener φαίνεται στο Σχ. 7.8.

Εδώ το R ogr είναι μια περιοριστική αντίσταση. R n - αντίσταση φορτίου, η τάση στην οποία U n \u003d U st. Το ρεύμα που ρέει μέσω της περιοριστικής αντίστασης είναι I \u003d (EU st) / R ogr και το ρεύμα μέσω της διόδου zener I st \u003d II n, όπου I n \u003d U st / R n, που αντιστοιχεί στο σημείο λειτουργίας γ στο Σχ. 3.11. Εάν η τάση τροφοδοσίας αποκλίνει κατά ένα ποσό από την ονομαστική τιμή, το ρεύμα μέσω της διόδου zener αλλάζει κατά Δ I st = ΔE) / όριο R σε r διαφορ<<(R огр ││ R н) и рабочая точка перемещается в пределах участка C ’ C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину

(7.11)

Εάν το ρεύμα φορτίου αλλάξει και Επομένως, το φορτίο στην τιμή του Δ I n, στη συνέχεια, το ρεύμα μέσω της διόδου zener και το Δ U \u003d - r διαφορά ΔI n θα αλλάξει με τον ίδιο περίπου τρόπο. Το σύμβολο «-» σημαίνει ότι όσο αυξάνεται το ρεύμα φορτίου, το ρεύμα της διόδου zener μειώνεται. Για να επιτευχθεί καλή σταθεροποίηση, η διαφορική αντίσταση πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερη.

Η τάση διάσπασης της σύνδεσης p-n μειώνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης των ακαθαρσιών βάσης. Για συσκευές διαφόρων τύπων, το U st μπορεί να είναι από 3 έως 200V.

Η επίδραση της θερμοκρασίας εκτιμάται από τον συντελεστή θερμοκρασίας της τάσης σταθεροποίησης του TKN, ο οποίος χαρακτηρίζει τη μεταβολή της τάσης U st με μεταβολή της θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό, δηλ.

(7.12)

Ο συντελεστής θερμοκρασίας τάσης μπορεί να είναι από 10 -5 έως 10 -3 K -1. Η τιμή του αντικειμένου U και το πρόσημο του TKN εξαρτώνται από την ειδική ειδική αντίσταση του κύριου ημιαγωγού. Οι δίοδοι Zener για τάσεις έως 7V είναι κατασκευασμένες από πυρίτιο με χαμηλή ειδική αντίσταση, δηλ. με υψηλή συγκέντρωση ακαθαρσιών. Σε αυτές τις διόδους zener, η διασταύρωση p-n έχει μικρό πάχος, ενεργεί ένα πεδίο με υψηλή ένταση και η διάσπαση συμβαίνει κυρίως λόγω του φαινομένου της σήραγγας. Σε αυτή την περίπτωση, το TKN αποδεικνύεται αρνητικό. Εάν χρησιμοποιείται πυρίτιο με χαμηλότερη συγκέντρωση ακαθαρσιών, τότε η διασταύρωση p-n θα είναι παχύτερη. Η διάσπασή του συμβαίνει σε υψηλότερες τάσεις και είναι χιονοστιβάδα. Τέτοιες δίοδοι zener χαρακτηρίζονται από θετικό TKN.

Ο συντελεστής θερμοκρασίας σταθεροποίησης των διόδων zener υψηλής τάσης μπορεί να μειωθεί κατά 1 ... 2 τάξεις μεγέθους, χρησιμοποιώντας θερμική σταθεροποίηση. Για να γίνει αυτό, η οπίσθια σύνδεση p-n της διόδου zener συνδέεται σε σειρά με μία ή δύο συνδέσεις p-n συνδεδεμένες προς τα εμπρός. Είναι γνωστό ότι η προς τα εμπρός τάση στη διασταύρωση p-n μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, η οποία αντισταθμίζει την αύξηση της τάσης διάσπασης. Τέτοιες θερμικά αντισταθμισμένες δίοδοι zener ονομάζονται ακρίβεια. Χρησιμοποιούνται ως πηγές τάσης αναφοράς.

Τις περισσότερες φορές, η δίοδος zener λειτουργεί σε μια τέτοια λειτουργία όταν η τάση της πηγής είναι ασταθής και η αντίσταση φορτίου Rn είναι σταθερή. Για να δημιουργηθεί και να διατηρηθεί η σωστή λειτουργία σταθεροποίησης σε αυτήν την περίπτωση, το όριο αντίστασης R πρέπει να έχει μια συγκεκριμένη τιμή. Συνήθως το R ogr υπολογίζεται για το μέσο με τα χαρακτηριστικά της διόδου zener. Εάν η τάση E αλλάξει από E min σε E max, τότε το όριο R μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο

(7.13)

όπου E cf \u003d 0,5 (E min + E max) - η μέση τάση της πηγής.

I cf \u003d 0,5 (I min + I max) - το μέσο ρεύμα της διόδου zener.

I n \u003d U st / R n - ρεύμα φόρτωσης.

Εάν η τάση E αρχίσει να αλλάζει προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση, τότε το ρεύμα της διόδου zener θα αλλάξει, αλλά η τάση σε αυτήν, και επομένως στο φορτίο, θα είναι σχεδόν σταθερή. Δεδομένου ότι όλες οι αλλαγές στην τάση της πηγής πρέπει να απορροφώνται από την αντίσταση περιορισμού, η μεγαλύτερη αλλαγή σε αυτήν την τάση, ίση με E max - Emin , πρέπει να αντιστοιχεί στη μεγαλύτερη δυνατή αλλαγή στο ρεύμα, στην οποία η σταθεροποίηση εξακολουθεί να διατηρείται, δηλ. I max - I min. Επομένως, εάν η τιμή του E αλλάξει κατά ΔE, τότε η σταθεροποίηση θα πραγματοποιηθεί μόνο εάν η συνθήκη

Ο δεύτερος δυνατός τρόπος σταθεροποίησης χρησιμοποιείται όταν E=const, και το Rn ποικίλλει από Rn min έως Rn max. Για ένα τέτοιο καθεστώς, το όριο R μπορεί να προσδιοριστεί από τις μέσες τιμές των ρευμάτων σύμφωνα με τον τύπο

(7.15)

I n cf \u003d 0,5 (I n min + I n max) και I n min \u003d U st / R n max και I n max \u003d U st / R n ελάχ.

Για τη λήψη υψηλότερων σταθερών τάσεων, χρησιμοποιείται μια σειρά σύνδεσης διόδων zener που έχουν σχεδιαστεί για τα ίδια ρεύματα.

5. Varicaps.Οι δίοδοι ονομάζονται varicaps, η αρχή της λειτουργίας των οποίων βασίζεται στην εξάρτηση της χωρητικότητας φραγμού της διασταύρωσης p-n από την αντίστροφη τάση. Με αυτόν τον τρόπο. Τα Varicaps είναι πυκνωτές μεταβλητής χωρητικότητας, που ελέγχονται όχι μηχανικά, αλλά ηλεκτρικά, δηλ. αντίστροφη αλλαγή τάσης. Χρησιμοποιούνται ως στοιχεία με ηλεκτρικά ελεγχόμενη χωρητικότητα σε κυκλώματα συντονισμού συχνότητας ενός ταλαντευτικού κυκλώματος, διαίρεση και πολλαπλασιασμό συχνότητας, διαμόρφωση συχνότητας, ελεγχόμενους μετατοπιστές φάσης κ.λπ.

Το απλούστερο κύκλωμα για την ενεργοποίηση ενός varicap για τη ρύθμιση της συχνότητας του κυκλώματος ταλάντωσης φαίνεται στο Σχ. 7.9.

Η τάση ελέγχου U εφαρμόζεται στο varicap VD μέσω μιας αντίστασης υψηλής αντίστασης R, η οποία μειώνει τη μετατόπιση του varicap και του κυκλώματος ταλάντωσης από την πηγή τάσης. Για την εξάλειψη του συνεχούς ρεύματος μέσω του στοιχείου επαγωγής, το κύκλωμα ταλάντωσης συνδέεται παράλληλα με το varicap μέσω ενός πυκνωτή διαχωρισμού υψηλής χωρητικότητας Cp. Με την αλλαγή του μεγέθους της αντίστροφης τάσης και, κατά συνέπεια, της χωρητικότητας του varicap και της συνολικής χωρητικότητας του κυκλώματος ταλάντωσης, αλλάζει η συχνότητα συντονισμού του τελευταίου.

Το κύριο ημιαγωγικό υλικό για την κατασκευή του varicap είναι το πυρίτιο, χρησιμοποιείται επίσης αρσενίδιο του γαλλίου, το οποίο παρέχει χαμηλότερη αντίσταση βάσης.

Οι ηλεκτρικές παράμετροι του varicap περιλαμβάνουν χωρητικότητα σε ονομαστική, μέγιστη και ελάχιστη τάση, μετρούμενη σε δεδομένη συχνότητα, συντελεστή επικάλυψης χωρητικότητας, συντελεστή ποιότητας, εύρος συχνοτήτων, συντελεστές θερμοκρασίας χωρητικότητας και συντελεστή ποιότητας. Σε διαφορετικούς τύπους varicaps, η ονομαστική χωρητικότητα μπορεί να κυμαίνεται από μερικές μονάδες έως αρκετές εκατοντάδες picofarads.

Σελίδα 7

Μάθημα διαλέξεων Τεχνική ηλεκτρονική

Διάλεξη 1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η πραγματική κοινωνία της πληροφορίας (μια κοινωνία στην οποία περισσότερο από το 50% του πληθυσμού ασχολείται με τη συλλογή, αποθήκευση, ανάλυση, αναδιανομή, παρουσίαση και παράδοση πληροφοριών) προέκυψε στα τέλη του 20ου αιώνα.ου αιώνα, αρχικά στις ΗΠΑ και στη συνέχεια σε άλλες περιοχές του πλανήτη χάρη στην ανάπτυξη συσκευών ημιαγωγών (διόδους, τρανζίστορ 1 ) και την επακόλουθη σμίκρυνση τους σε ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC). Σε μια τέτοια κοινωνία, το κύριο καταναλωτικό αγαθό είναι η πληροφόρηση, όπως φαίνεται από την επικράτηση του Διαδικτύου, των προϊόντων λογισμικού, των ταινιών και των μέσων ενημέρωσης.

Οι συσκευές ημιαγωγών δημιουργούνται σε υλικά ημιαγωγών, κυρίως όπως το πυρίτιο, το γερμάνιο, το αρσενίδιο του γαλλίου και οι συσκευές πυριτίου αποτελούν το ~ 97% όλων των συσκευών ημιαγωγών.

1. Ιδιότητες ημιαγωγών

1.1 Γενικά

Ημιαγωγός - ένα υλικό που, στην ειδική του αγωγιμότητα, καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αγωγών και διηλεκτρικών και διαφέρει από τους αγωγούς σε μια ισχυρή εξάρτηση της ειδικής αγωγιμότητας από τη συγκέντρωση ακαθαρσιών, τη θερμοκρασία και την έκθεση σε διάφορους τύπους ακτινοβολίας. Η κύρια ιδιότητα ενός ημιαγωγού είναιαυξάνουν ηλεκτρική αγωγιμότητα με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Το τελευταίο ακίνητο που βρέθηκε σε XIX αιώνα, ήταν ακατανόητο από τη σκοπιά της κλασικής φυσικής, στην οποία τα ηλεκτρόνια παριστάνονταν ως φορτισμένα σωματίδια που φέρουν ηλεκτρικό φορτίο με τη μορφή ηλεκτρικής ροής (ρεύματος) τέτοιων σωματιδίων μέσω του κρυσταλλικού πλέγματος ενός στερεού σώματος, με αντίσταση στα κίνηση από τον ταλαντούμενο σκελετό των ατόμων του πλέγματος. Επιπλέον, η αντίσταση θα έπρεπε να έχει αυξηθεί με την αύξηση της θερμοκρασίας, λόγω της αυξανόμενης ταλάντωσης των ατόμων του κρυσταλλικού πλέγματος, και όχι το αντίστροφο, όπως σε έναν ημιαγωγό.

Ωστόσο, με την επισημοποίηση της κβαντικής μηχανικής το 1926 ως μια νέα θεωρία για την περιγραφή του μικροκόσμου (άτομα και οι συνδυασμοί τους), η κατάσταση άρχισε να ξεκαθαρίζει. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο είχε κυματικές ιδιότητες, η συμπεριφορά του περιγράφηκε από την κυματική εξίσωση (εξίσωση Schrödinger) και η ενέργειά του εξαρτιόταν από τις οριακές συνθήκες που επιβάλλονται στο «κύμα ηλεκτρονίων» από την αλληλεπίδραση Coulomb με το ατομικό πυρήνας. Αυτή η κατάσταση μοιάζει με τους κραδασμούς μιας χορδής στερεωμένης στο ταστιλό ενός μουσικού οργάνου με μια συγκεκριμένη τάση. Σε αυτή την περίπτωση, η χορδή έχει μια ορισμένη συχνότητα ταλάντωσης (τόνος, υπέρτονος), η οποία εξαρτάται μόνο από τη δύναμη τάσης (οριακές συνθήκες). Άλλες συχνότητες (και επομένως ενέργειες) δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν στο εγκατεστημένο σύστημα. Για ένα άτομο, αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο στο άτομο και, κατά συνέπεια, το ίδιο το άτομο έχει ένα αυστηρό φάσμα επιτρεπόμενων ενεργειών (καταστάσεων) και απαγορευμένων ενεργειών. Εάν τέτοια άτομα συνδυάζονται σε ένα πλέγμα ενός στερεού, τότε, ανάλογα με τον τύπο των ατόμων και τον τύπο του πλέγματος, το προκύπτον σύνολο μπορεί να χαρακτηριστεί από την παρουσία απαγορευμένων ενεργειακών καταστάσεων, οι οποίες δεν μπορούν να αποκτηθούν από ηλεκτρόνια, ακόμη και να αποσπαστούν από ένα συγκεκριμένο άτομο του πλέγματος. Με άλλα λόγια, για να κινηθεί ένα ηλεκτρόνιο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, πρέπει να αποσπαστεί από ένα άτομο και να ξεπεράσει ένα ενεργειακό φράγμα ίσο με το διάκενο ζώνης. Στους μονωτές, μια τέτοια ζώνη είναι πολύ μεγάλη (δεκάδες ηλεκτρον βολτ), στα μέταλλα μια τέτοια ζώνη απουσιάζει εντελώς.

Οι ημιαγωγοί είναι ουσίες των οποίων το διάκενο ζώνης είναι της τάξης των λίγων ηλεκτρονιοβολτ (eV).Για παράδειγμα, το διαμάντι μπορεί να ταξινομηθεί ως ημιαγωγός με μεγάλο διάκενο, ενώ το αρσενίδιο του ινδίου μπορεί να ταξινομηθεί ως ημιαγωγός στενού διακένου. Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν πολλά χημικά στοιχεία (γερμάνιο, πυρίτιο, σελήνιο, τελλούριο, αρσενικό και άλλα), έναν τεράστιο αριθμό κραμάτων και χημικών ενώσεων (αρσενικό γάλλιο κ.λπ.). Σχεδόν όλες οι ανόργανες ουσίες του κόσμου γύρω μας είναι ημιαγωγοί. Ο πιο κοινός ημιαγωγός στη φύση είναι το πυρίτιο, το οποίο αποτελεί σχεδόν το 30% του φλοιού της γης.

Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Κοντά στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδέν, οι ημιαγωγοί έχουν τις ιδιότητες των διηλεκτρικών. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, ορισμένα άτομα (ηλεκτρόνια σε άτομα) μπορούν να λάβουν ενέργεια που υπερβαίνει την ενέργεια δέσμευσης στο πλέγμα και, έχοντας ξεπεράσει το ενεργειακό φράγμα, οι φορείς φορτίου μπορούν να κινηθούν μέσα στο πλέγμα, δημιουργώντας μια ορισμένη αγωγιμότητα. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ο αριθμός τέτοιων φορέων αυξάνεται, όπως και η αγωγιμότητα.Επιπλέον, η εξάρτηση της συγκέντρωσης των ελεύθερων φορέων από τη θερμοκρασία είναι εκθετική, και ο εκθέτης είναι το χάσμα ζώνης. Έτσι, η κβαντομηχανική εξήγησε τις ιδιότητες των ημιαγωγών.

Το διάκενο ζώνης βρίσκεται σε ενεργειακές συντεταγμένες μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας Ε 2 δευτ (η ενεργειακή περιοχή στην οποία μπορούν να κινηθούν τα ηλεκτρόνια) και η ζώνη σθένους E v (η ενεργειακή περιοχή όπου όλα τα ηλεκτρόνια είναι συνδεδεμένα με τα άτομα του πλέγματος και δεν μπορούν να κινηθούν κατά μήκος του πλέγματος) και καθορίζεται από τη διαφορά ενέργειας μεταξύ Ε c και E v , , δηλ. E g = E c - E v , όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.1 Είναι προφανές ότι με αύξηση της τιμής του Εσολ ο αριθμός των ηλεκτρονίων που σχετίζονται με τα άτομα, αλλά μπορούν να λάβουν ενέργεια για να ξεπεράσουν το φραγμό δυναμικού Ε g μειώνεται.

Για τιμή πυριτίουΠ.χ σε θερμοκρασία δωματίου είναι 1,1 eV, για το γερμάνιο - 0,6 eV, για το αρσενίδιο του γαλλίου ( GaAs) - 1,5 "eV.

Όταν ο δεσμός μεταξύ του ηλεκτρονίου και του πυρήνα σπάσει, εμφανίζεται ένας ελεύθερος χώρος στο ηλεκτρονιακό κέλυφος του ατόμου. Αυτό προκαλεί τη μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από ένα άλλο άτομο σε ένα άτομο με ελεύθερο χώρο. Το άτομο, από το οποίο έχει περάσει το ηλεκτρόνιο, εισέρχεται σε άλλο ηλεκτρόνιο από άλλο άτομο, κ.λπ. Αυτή η διαδικασία καθορίζεται από τους ομοιοπολικούς δεσμούς των ατόμων. Έτσι, υπάρχει μια κίνηση θετικού φορτίου χωρίς κίνηση του ίδιου του ατόμου. Αυτό το υπό όρους θετικό φορτίο ονομάζεται τρύπα. Μπορεί να ειπωθεί ότι η αλλαγή στην κατάσταση του συνόλου των ηλεκτρονίων στη ζώνη σθένους μπορεί να αναπαρασταθεί ως η κίνηση ενός θετικού φορτίου με κάποια αποτελεσματική μάζα m p .

Το σύνολο των ελεύθερων ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας μπορεί να παρομοιαστεί με ένα αέριο ηλεκτρονίων που περικλείεται σε ένα δοχείο που σχηματίζεται από τις εξωτερικές όψεις του κρυστάλλου. Οι ιδιότητες των ηλεκτρονίων σε ένα τέτοιο δοχείο διαφέρουν από τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων στον ελεύθερο χώρο - κενό, λόγω της παρουσίας σε ένα τέτοιο "αγγείο" πολλών ακίνητων ατόμων - κόμβων πλέγματος. Μία από αυτές τις διαφορές είναι ότι η δυναμική της κίνησης των ηλεκτρονίων σε ένα "αγγείο" (η κίνηση των φορέων υπό τη δράση μιας δύναμης - ηλεκτρικού πεδίου) χαρακτηρίζεται από διαφορετική μάζα, διαφορετική από την κίνηση των ηλεκτρονίων στο κενό , και ονομάζεται αποτελεσματική μάζαμου , η οποία είναι μικρότερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου στο κενό.

Οι ημιαγωγοί στους οποίους εμφανίζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και «οπές» κατά τη διαδικασία ιονισμού των ατόμων από τα οποία είναι κατασκευασμένος ολόκληρος ο κρύσταλλος ονομάζονται ημιαγωγοί μετο δικό αγώγιμο. Σε ημιαγωγούς με εγγενή αγωγιμότητα, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι ίση με τη συγκέντρωση των «οπών». Τέτοιοι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται πολύ σπάνια για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών.

Οι κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται συχνά για τη δημιουργία συσκευών ημιαγωγών.ακαθαρσία αγώγιμο. Τέτοιοι κρύσταλλοι κατασκευάζονται με την εισαγωγή ακαθαρσιών με άτομα ενός τρισθενούς ή πεντασθενούς χημικού στοιχείου. Μια ακαθαρσία ενός πεντασθενούς ημιαγωγού (για παράδειγμα, αρσενικό) προστίθεται σε έναν τετρασθενή ημιαγωγό (για παράδειγμα, πυρίτιο). Στη διαδικασία της αλληλεπίδρασης, κάθε άτομο ακαθαρσίας εισέρχεται σε ομοιοπολικό δεσμό με άτομα πυριτίου. Ωστόσο, δεν υπάρχει θέση για το πέμπτο ηλεκτρόνιο του ατόμου του αρσενικού στους κορεσμένους δεσμούς σθένους και περνά στο μακρινό κέλυφος ηλεκτρονίων. Εκεί, απαιτείται μικρότερη ποσότητα ενέργειας για να αποσπαστεί ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο. Το ηλεκτρόνιο διασπάται και γίνεται ελεύθερο. Σε αυτή την περίπτωση, η μεταφορά φορτίου πραγματοποιείται από ένα ηλεκτρόνιο, όχι από μια οπή, δηλαδή, αυτός ο τύπος ημιαγωγών άγει ηλεκτρικό ρεύμα όπως τα μέταλλα. Οι ακαθαρσίες που προστίθενται στους ημιαγωγούς, με αποτέλεσμα να μετατρέπονται σε ημιαγωγούς τύπου n, ονομάζονταιδότης . Εάν μια μικρή ποσότητα ατόμων ενός τρισθενούς στοιχείου (για παράδειγμα, το βόριο) προστεθεί σε έναν τετρασθενή ημιαγωγό. Κάθε άτομο ακαθαρσίας δημιουργεί έναν ομοιοπολικό δεσμό με τρία γειτονικά άτομα πυριτίου. Για τη δημιουργία δεσμού με το τέταρτο άτομο πυριτίου, το άτομο του βορίου δεν έχει ηλεκτρόνιο σθένους, επομένως συλλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο σθένους από έναν ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ γειτονικών ατόμων πυριτίου και γίνεται ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν, ως αποτέλεσμα του οποίου σχηματίζεται μια τρύπα . Οι προσμίξεις που προστίθενται σε αυτή την περίπτωση ονομάζονταιαποδέκτης

Οποιοδήποτε άτομο ακαθαρσίας είναι ξένο στο πλέγμα πυριτίου και είναι ένα ελάττωμα στη διατεταγμένη δομή του πλέγματος, το οποίο εκδηλώνεται ως επιτρεπόμενη ενεργειακή κατάσταση στο διάκενο ζώνης και ορίζεται ως επίπεδο ακαθαρσίας. Το επίπεδο δότη ορίζεται ως ουδέτερο όταν είναι γεμάτο με ένα ηλεκτρόνιο και φορτίζεται θετικά όταν είναι κενό (το άτομο της ακαθαρσίας ιονίζεται). Ένα επίπεδο δέκτη είναι ουδέτερο όταν είναι κενό και αρνητικά φορτισμένο όταν είναι γεμάτο με ηλεκτρόνιο.

Η απελευθέρωση ενός ηλεκτρονίου από ένα επίπεδο δότη ή η σύλληψη ενός ηλεκτρονίου από ένα επίπεδο δέκτη απαιτεί κάποια πρόσθετη ενέργεια, έτσι ώστε, κατά κανόνα, τα αντίστοιχα άτομα να ιονίζονται σε θερμοκρασία δωματίου, η οποία καθορίζει κυρίως τη συγκέντρωση των ελεύθερων φορέων σε τέτοια ένας ημιαγωγός. Αυτή η κατάσταση δείχνει ότι το επίπεδο δότη είναι πολύ κοντά στην άκρη της ζώνης αγωγιμότητας ΕΜε και, επίσης, η κοντινή θέση του επιπέδου δέκτη στην άκρη της ζώνης σθένους Ε v . Στην προκειμένη περίπτωση μιλάμε για «μικρά» επίπεδα. Η ενέργεια ενεργοποίησής τους είναι πολύ μικρότερη από την ενέργεια ενεργοποίησης των ηλεκτρονίων στη ζώνη σθένους Eσολ.

Εάν υπάρχουν πολλά κέντρα ακαθαρσιών και όλα ιονίζονται σε θερμοκρασία δωματίου, τότε η ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός τέτοιου ημιαγωγού σε σχεδόν οποιαδήποτε θερμοκρασία πρακτικά δεν εξαρτάται από τη δημιουργία εγγενών φορέων, καθώς υπάρχουν λιγότεροι από αυτούς από τους "ακαθαρσίες". Ένας τέτοιος ημιαγωγός συμπεριφέρεται σαν μέταλλο (με την έννοια της ηλεκτρικής αγωγιμότητας) και γι' αυτό μιλούνεκφυλισμένος ημιαγωγός.

Διάλεξη 2

ιδιότητες ημιαγωγών

2.1 Συγκέντρωση φορέα

Οι επιτρεπόμενες ζώνες περιέχουν τεράστιο αριθμό επιπέδων (10 22 - 10 23) cm -3 καθένα από τα οποία μπορεί να περιέχει ηλεκτρόνια. Ο πραγματικός αριθμός ηλεκτρονίων στην επιτρεπόμενη ζώνη εξαρτάται από τη συγκέντρωση και τη θερμοκρασία του δότη. Για να εκτιμηθεί η πραγματική συγκέντρωση του φορέα σε έναν ημιαγωγό, πρέπει να γνωρίζουμε την κατανομή των επιπέδων και την πιθανότητα πλήρωσης αυτών των επιπέδων.

Για ημιαγωγούς με χαμηλή συγκέντρωση φορέα (κλασικοί ημιαγωγοί), η πιθανότητα F n Η πλήρωση του επιπέδου με ενέργεια Ε στη ζώνη αγωγιμότητας δίνεται από την κατανομή Maxwell-Boltzmann:

, (2.1)

όπου E F είναι η ενέργεια Fermi 3 (ή ηλεκτροχημικό δυναμικό), το οποίο μπορεί να χαρακτηριστεί ως ενεργειακό επίπεδο, η πιθανότητα πλήρωσης που είναι ίση με 1/2. (Μπορούμε να υποθέσουμε ότι όλα τα επίπεδα στο διάκενο ζώνης που βρίσκονται κάτω από το επίπεδο Fermi είναι γεμάτα με ηλεκτρόνια και αυτά που βρίσκονται πάνω είναι απαλλαγμένα από ηλεκτρόνια).

Αν συμβολίζεται μεΝ(Ε ) την πυκνότητα των επιπέδων στη ζώνη αγωγιμότητας κοντά στο επίπεδο Ε, τότε N (E)  Το E αντιπροσωπεύει τον αριθμό των επιπέδων στην περιοχήΕ . Πολλαπλασιάζοντας αυτόν τον αριθμό με την πιθανότητα πλήρωσης του επιπέδου F n , λαμβάνουμε τη συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων στην περιοχήΕ . Η συνολική συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων n που λαμβάνεται με άθροιση (ολοκλήρωση) σε όλο το πλάτος της ζώνης αγωγιμότητας 4 : (, όπου E c και E κορυφή είναι οι ενέργειες του κάτω και του πάνω μέρους της ζώνης αγωγιμότητας,Ν(Ε ) είναι η πυκνότητα των καταστάσεων ανά μονάδα ενεργειακού διαστήματος). Αφού εκτελέσουμε αυτή τη διαδικασία, παίρνουμε:

, (2.2a)

όπου Nc είναι η αποτελεσματική πυκνότητα των καταστάσεων στη ζώνη αγωγιμότητας.

Η έκφραση για τη συγκέντρωση της οπής λαμβάνεται με παρόμοιο τρόπο:

. (2.2b)

όπου N V είναι η αποτελεσματική πυκνότητα των καταστάσεων στη ζώνη σθένους

Πολλαπλασιάζοντας το αριστερό και το δεξί μέρος στον τύπο (2.2) παίρνουμε:

(2.3)

Μπορεί να φανεί ότι σε μια σταθερή θερμοκρασία, το γινόμενο των συγκεντρώσεων είναι μια σταθερή τιμή, δηλ. μια αύξηση σε μία από τις συγκεντρώσεις συνοδεύεται από μείωση της άλλης.

Στο εγγενές p / p, οι συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών είναι ίδιες. Συμβολίζονται με n i και ονομάζονται εγγενείς συγκεντρώσεις. Προμήθεια n = n i και p = n i στο (3) λαμβάνουμε μια έκφραση για την εγγενή συγκέντρωση.

(2.4)

Μπορεί να φανεί ότι η εγγενής συγκέντρωση εξαρτάται εκθετικά από τη θερμοκρασία και το χάσμα ζώνης.

Από τις (3) και (4) προκύπτει: (2.5)

Ας εξετάσουμε το επίπεδο Fermi με περισσότερες λεπτομέρειες. Για να γίνει αυτό, προσδιορίζουμε την αναλογία των συγκεντρώσεων χρησιμοποιώντας την έκφραση (2.2), υποθέτοντας την απλότητα N c = N v :

, (2.6)

Ας αντικαταστήσουμε στην αριστερή πλευρά του (2.6) την τιμή p = n i 2 / n από το (2.5) και πάρτε τον λογάριθμο και των δύο μερών, τότε το επίπεδο Fermi μπορεί να γραφτεί ως προς τη συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων:

(2.7a)

αν αντικαταστήσουμε στο (6) την τιμή n = n i 2 / p , τότε το επίπεδο Fermi γράφεται ως προς τη συγκέντρωση της οπής:

(2.7b)

Σημειώστε ότι η τιμή είναι η μέση του bandgap. Ο δεύτερος όρος στις παραστάσεις (2.7) αντιπροσωπεύει την ενεργειακή τιμή από τη μέση του κενού ζώνης μέχρι τη θέση του επιπέδου Fermi, και ο τελευταίος καθορίζει τη συγκέντρωση των ελεύθερων φορέων στον ημιαγωγό - n - από την έκφραση (2.7a) και -ρ - από την έκφραση (2.7b). Μπορεί επίσης να γραφτεί ότι

(2,7v)

Από τις εκφράσεις (2.7), μπορούμε να συναγάγουμε τα ακόλουθα συμπεράσματα:

Στους δικούς τους ημιαγωγούς, που n = p = ni το επίπεδο Fermi βρίσκεται στη μέση της απαγορευμένης ζώνης.

Σε ηλεκτρονικούς ημιαγωγούς, οι οποίοι n > n i το επίπεδο Fermi βρίσκεται στο πάνω μισό του κενού ζώνης και όσο υψηλότερο, τόσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση ηλεκτρονίων.

Σε ημιαγωγούς οπών, οι οποίοι p > n i το επίπεδο Fermi βρίσκεται στο κάτω μισό του κενού ζώνης και όσο χαμηλότερο, τόσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση των οπών.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, όταν η τιμή αυξάνεται εκθετικά n i (βλ. (2.4)) και αρχίζει να συγκρίνει και μετά να υπερβαίνει την τιμή n και ο ημιαγωγός ακαθαρσίας μετατρέπεται σε δικό του, και το επίπεδο Fermi μετατοπίζεται στο μέσο του κενού ζώνης.

ο δεύτερος όρος στις εκφράσεις (2.7) που χαρακτηρίζει τη συγκέντρωση των φορέων ονομάζεται χημικό δυναμικό, EΕγώ - ηλεκτρικό δυναμικό, εξ ου και το όνομα - ηλεκτροχημικό δυναμικό.

Μία από τις θεμελιώδεις διατάξεις στη φυσική των ημιαγωγών διατυπώνεται ως εξής:το επίπεδο Fermi είναι το ίδιο σε όλα τα μέρη του συστήματος ισορροπίας, ανεξάρτητα από το πόσο ετερογενές είναι.

Πράγματι, αν παίρναμε έναν ημιαγωγό με ανομοιογενή κατανομή προσμίξεων, τότε στην αρχή θα είχε περιοχές με διαφορετικές συγκεντρώσεις φορέα και, κατά συνέπεια, με κλίση επιπέδου Fermi. Αυτοί οι φορείς θα ξεκινούσαν την ανακατανομή λόγω της βαθμίδας συγκέντρωσης μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία (την οποία παρατηρούμε πάντα στην πραγματικότητα), ωστόσο, αυτό θα οδηγήσει στη δημιουργία ηλεκτρικών πεδίων λόγω της εμφάνισης κέντρων ακαθαρσίας χωρίς αντιστάθμιση. Τελικά η βαθμίδα χημικού δυναμικού θα αντισταθμιστεί από τη βαθμίδα ηλεκτρικού δυναμικού και η προκύπτουσα κλίση επιπέδου Fermi θα γίνει μηδέν.

2.2 Φαινόμενα μεταφοράς (αγωγιμότητα)

Η κίνηση των ελεύθερων φορέων σε έναν ημιαγωγό συμβαίνει υπό τη δράση κλίσεων. Κατά κανόνα, πρόκειται για βαθμίδες συγκέντρωσης (και, ως αποτέλεσμα, διάχυση φορέα) και διαβαθμίσεις του ηλεκτρικού δυναμικού που δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο. Η κίνηση σε ένα ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται μετατόπιση. πυκνότητα ρεύματος μετατόπισηςι ορίζεται το πεδίο ΕΝόμος του Ohm:

, (2.8)

πού είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα και πού - ειδική αντίσταση.

Ηλεκτρική αγωγιμότητακαθορίζεται από τη συγκέντρωση και την κινητικότητα του φορέα. Δεδομένου ότι υπάρχουν δύο τύποι κινητών φορέων στους ημιαγωγούς, η αγωγιμότητα αποτελείται από δύο στοιχεία - ηλεκτρόνιο και οπή:

, (2.9)

όπου  n και  p είναι η κινητικότητα των αντίστοιχων φορέων, q είναι το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο (1.602 10−19 C).

Κατά κανόνα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα καθορίζεται από εκείνους τους φορείς, οι οποίοι βρίσκονται περισσότερο, για παράδειγμα, σε έναν ημιαγωγό n -τύπος - καθορίζεται από ηλεκτρόνια.

Κινητικότητα ορίζεται ως η μέση ταχύτητα μετατόπισης των φορέων σε ένα μοναδιαίο πεδίο, δηλ. σε E=1 volt/cm ή ως συντελεστής αναλογικότητας μεταξύ της μέσης ταχύτητας και του ηλεκτρικού πεδίου:

(2.10)

Οι φορείς υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου κινούνται στο πλέγμα με επιτάχυνση στα διαστήματα μεταξύ των συγκρούσεων με τις θέσεις του πλέγματος, των ακαθαρσιών και των δομικών ελαττωμάτων, δηλ. βιώνοντας τη διασπορά. Μετά από κάθε σύγκρουση, ο μεταφορέας πρέπει και πάλι να ανεβάσει ταχύτητα. Ως αποτέλεσμα, η κίνησή του μπορεί να περιγραφεί με μια μέση ταχύτητα ανάλογη με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, όπως φαίνεται στην έκφραση (2.10).

Δεδομένου ότι η κινητικότητα σχετίζεται με τη διασπορά των φορέων από ακαθαρσίες, είναι φυσικό να παρατηρείται η μείωση της με την αύξηση της συγκέντρωσης ακαθαρσιών, η οποία φαίνεται στο Σχήμα 2.1.

Η μονάδα κινητικότητας είναι cm²/(V s). Η τιμή κινητικότητας εξαρτάται όχι μόνο από τη συγκέντρωση, αλλά και από τον προσανατολισμό των κρυσταλλογραφικών περιοχών και αυξάνεται με τις κατευθύνσεις<110>  <100>  <111>.

Παρουσία βαθμίδας συγκέντρωσης φορέα ή όπου n 0 και p 0 - συγκεντρώσεις ισορροπίας φορέων σε p / p n ή τύπου p, κινούνται προς την κατεύθυνση της μείωσης αυτής της κλίσης, έτσι ώστε η πυκνότητα του ρεύματος J οριζεται ως:

, (2.11 )

όπου D n και D p είναι οι συντελεστές διάχυσης των ηλεκτρονίων και των οπών που σχετίζονται με την κινητικότητα από τη σχέση Αϊνστάιν:

(2.11a)

Έτσι ώστε το συνολικό ρεύμα, που προσδιορίζεται από την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου Ε και βαθμίδες συγκέντρωσης φορέα, προσδιορίζεται λαμβάνοντας υπόψη τα σημεία (2.8) και (2.9) από την έκφραση:

, (2.12a)

(2.12b)

Οι εκφράσεις (2.12) μπορούν να ξαναγραφούν για τη μονοδιάστατη περίπτωση:

(2.13a)

(2.13b)

2.3 Διαδικασίες ανασυνδυασμού

Όποτε εμφανίζονται φορείς μη ισορροπίας σε έναν ημιαγωγό και pn > n i 2 , που συμβαίνει όταν το p/p εκτίθεται σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ή εγχέονται πρόσθετοι φορείς σε αυτό, αρχίζουν να εμφανίζονται κινητικές διεργασίες, μέσω των οποίων το σύστημα έρχεται σε θερμοδυναμική ισορροπία. Οι μη ισορροπημένοι (πρόσθετοι) φορείς, όπως τα ηλεκτρόνια, απομακρύνονται από τη ζώνη αγωγιμότητας συλλαμβάνονται από άτομα πλέγματος που έχουν χάσει προηγουμένως ένα ηλεκτρόνιο. Σε αυτή την περίπτωση, λαμβάνει χώρα η αμοιβαία εκμηδένιση των ελεύθερων φορέων, τόσο ενός ηλεκτρονίου όσο και μιας οπής, και η μετάβασή τους σε μια δεσμευμένη κατάσταση. Ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο συλλαμβάνεται επίσης από ένα κέντρο παγίδας (κατά κανόνα, αυτά είναι άτομα μετάλλου ή ελαττώματα σε μια διατεταγμένη δομή που δημιουργούν επιτρεπόμενες καταστάσεις στην απαγορευμένη ζώνη ενός ημιαγωγού). μπορεί να υπάρχουν πολλά τέτοια κέντρα, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.2

Στις διαδικασίες ανασυνδυασμού, η ενέργεια απορροφάται από το πλέγμα με εκπομπή φωτονίων (όπως συμβαίνει στο αρσενίδιο του γαλλίου) ή η ενέργεια απορροφάται από άλλους φορείς (ανασυνδυασμός OGE).

Οι διαδικασίες σύλληψης φορέων από κέντρα παγίδευσης μπορούν να συνοδεύονται από την απελευθέρωση (εκπομπή) φορέων από αυτά τα κέντρα. γενιά φορέα.

Οι διαδικασίες παραγωγής ανασυνδυασμού-φορέα έχουν μελετηθεί από πολλούς ερευνητές τον 20ο αιώνα. Σύμφωνα με τη θεωρία Shockley-Reed-Hall, ο ρυθμός ανασυνδυασμού U (c m -3 s -1 ) είναι μέγιστο όταν το επίπεδο ανασυνδυασμού βρίσκεται κοντά στο μέσο του κενού ζώνης.

Σε χαμηλά επίπεδα ένεσης, όταν η συγκέντρωση περίσσειας φορέων n ( p) είναι πολύ μικρότερη από τη συγκέντρωση των κύριων φορέων, η διαδικασία ανασυνδυασμού περιγράφεται από την έκφραση:

, (2.14)

όπου р n 0 είναι η συγκέντρωση των φορέων μειοψηφίας ισορροπίας, σελ διάρκεια ζωής των μειονοτικών αερομεταφορέων. Επιπλέον, η διάρκεια ζωής των μειονοτικών φορέων καθορίζεται από τη συγκέντρωση των κέντρων παγίδας N t , θερμική ταχύτητα φορέων ου , αποτύπωση διατομής , που καθορίζει τον μηχανισμό αλληλεπίδρασης μεταξύ του φορέα και του κέντρου παγίδας. Για εντολή πληρωμής p-type:

Για p/p n - τύπος (2.15)

(2.16)

Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιων κέντρων είναι ο χρυσός σε πυρίτιο, ο οποίος εισάγεται στο πυρίτιο για τη δημιουργία διακοπτών υψηλής ταχύτητας.

Διάλεξη 3

Μεταβάσεις ηλεκτρονίων-οπών

Ο συνδυασμός δύο στρωμάτων ημιαγωγών με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας έχει ιδιότητες ανορθωτή ή βαλβίδας: διοχετεύει το ρεύμα πολύ καλύτερα στη μία κατεύθυνση παρά στην άλλη. Η μέθοδος για τη λήψη μιας σύνδεσης εμφυτευμένης με ιόντα φαίνεται στο Σχήμα 3.1

Όπως φαίνεται από το σχήμα, για την κατασκευή του R+n δίοδος, πρέπει να πάρετε έναν ημιαγωγόΤύπος N+ (πυρίτιο n + τύπος), αναπτύσσεται ένα επιταξιακό ελαφρώς ντοπαρισμένο στρώμα n - πληκτρολογήστε, στη συνέχεια οξειδώστε την επιφάνεια, ανοίξτε μια συγκεκριμένη θέση στο οξείδιο, πραγματοποιήστε εμφύτευση ιόντων μιας ακαθαρσίας τύπου P (βόριο) και στη συνέχεια δημιουργήστε επιμετάλλωση στην περιοχή τύπου P+ και στην πίσω πλευρά του υποστρώματος ως περιοχές επαφής. Ως αποτέλεσμα, παίρνουμε μια απότομη ασύμμετρη απότομη pn μετάβασης, στην οποία υπάρχει μια περιοχή P + με υψηλή περιεκτικότητα σε ντοπαρισμό και μια χαμηλή ντόπινγκ n περιοχή, όπως φαίνεται στην αριστερή πλευρά του Σχήματος 3.2, η οποία μπορεί να ερμηνευθεί ως ένα πολύ ευκρινές όριο μεταξύ των περιοχών και μια ομοιόμορφη κατανομή ακαθαρσιών σε n - και p- περιοχές, όπως φαίνεται στη δεξιά πλευρά του Σχήματος 3.2

(κατά κανόνα, εξετάζεται επίσης μια "ομαλή μετάβαση", στην οποία η συγκέντρωση ακαθαρσιών στη διεπαφή n και p - ο τύπος αλλάζει γραμμικά με την απόσταση)

Οι οπές από το στρώμα τύπου P+ διαχέονται στην περιοχή χαμηλής πρόσμιξης n - τύπος. Ωστόσο, στο στρώμα n -Ο τύπος κοντά στο μεταλλουργικό όριο (η περιοχή όπου οι συγκεντρώσεις των οπών και των ηλεκτρονίων είναι ίσες) θα είναι περίσσεια οπών. Θα ανασυνδυαστούν με τα ηλεκτρόνια μέχρι να ικανοποιηθεί η συνθήκη ισορροπίας (2.5). Αντίστοιχα, η συγκέντρωση ηλεκτρονίων σε αυτή την περιοχή θα μειωθεί και θα εκτεθούν μη αντισταθμισμένα θετικά φορτία των ατόμων δότη. Αριστερά του μεταλλουργικού ορίου, «εκτίθενται» μη αντισταθμισμένα αρνητικά φορτία ατόμων δέκτη, από τα οποία έχουν αφήσει τρύπες (βλ. Εικ. 3.3).

Μπορεί να φανεί ότι σε μια μονόδρομη μετάβαση, δηλ. , όπου, όπως στην υπό εξέταση περίπτωση, η συγκέντρωση οπών στην περιοχή P p p0 πολύ υψηλότερη από τη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων σε N - περιοχές n n 0 ή p p0 >> n n 0 η κίνηση των ηλεκτρονίων είναι πολύ μικρότερη.

Η περιοχή των διαστημικών φορτίων ονομάζεται εξαντλημένο στρώμα, δηλαδή μια απότομα μειωμένη συγκέντρωση ελεύθερων φορέων και στα δύο μέρη του, και είναι τόσο λίγοι που μπορούν να παραμεληθούν στην ανάλυση της μετάβασης. Λόγω της μικρότητας των ελεύθερων φορέων, η περιοχή εξάντλησης μπορεί να θεωρηθεί το τμήμα υψηλότερης αντίστασης ολόκληρης της δομής της διόδου.

Η μετάβαση είναι γενικά ουδέτερη: το θετικό φορτίο στη δεξιά πλευρά είναι ίσο με το αρνητικό φορτίο στην αριστερή πλευρά. Ωστόσο, οι πυκνότητες φορτίου είναι πολύ διαφορετικές (λόγω διαφορών στις συγκεντρώσεις ακαθαρσιών). Επομένως, τα μήκη των εξαντλημένων στρωμάτων είναι διαφορετικά: σε ένα στρώμα με χαμηλότερη συγκέντρωση ακαθαρσιών (στην περίπτωσή μας, σε n - στρώμα), η περιοχή εξαντλημένης φόρτισης είναι πολύ ευρύτερη. Σε αυτή την περίπτωση, ισχύει ο ισχυρισμός ότι «η ασύμμετρη μετάβαση συγκεντρώνεται σε ένα στρώμα υψηλής αντίστασης.

Η παρουσία φορτίων στην περιοχή εξάντλησης οδηγεί στην εμφάνιση ηλεκτρικού πεδίου, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.4

Ρεύμα σε κατάσταση ισορροπίας (χωρίς εφαρμογή εξωτερικής τάσης) στη διασταύρωσηδεν ροές (δεν υπάρχουν κινητοί φορείς), λόγω της απουσίας ηλεκτροχημικής κλίσης δυναμικού (επίπεδο FermiΕ Φ ), όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.5:

Το σχήμα 3.5 δείχνει ότι στη δεξιά πλευρά το επίπεδο FermiΕ Φ κοντά στην άκρη της ζώνης αγωγιμότητας Ε C n - πληκτρολογήστε και στην αριστερή πλευρά του FermiΕ Φ κοντά στην άκρη της ζώνης σθένους Ε v , που σημαίνει ότι πρόκειται για περιοχήΠ - τύπος. Η σταθερότητα του επιπέδου Fermi σε όλο τον όγκο οδηγεί σε κάμψη της ζώνης pn μετάβαση στην τιμή V bi , που ονομάζεται διαφορά δυναμικού επαφής.

Από το σχήμα 3.5 προκύπτει ότι V bi είναι η διαφορά μεταξύ των επιπέδων Fermi των μη συνδεδεμένων ημιαγωγών n - τύπος και p-type. Στη συνέχεια, λαμβάνοντας υπόψη τις εκφράσεις (2.7), λαμβάνουμε:

(3.1)

Λαμβάνοντας υπόψη ότι η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων σε n - περιοχές n n 0 καθορίζεται κυρίως από τη συγκέντρωση πλήρως ιονισμένων δοτώνΝ Δ , και τη συγκέντρωση των οπών στην περιοχή P p p 0 καθορίζεται από τη συγκέντρωση πλήρως ιονισμένων δεκτώνΝ Α, γράφουμε:

(3.2)

Για τη χαρακτηριστική περίπτωση όταν N A \u003d 10 19 cm -3 και N D \u003d 10 16 cm -3, k \u003d 1,3710 -23 J / C , q \u003d 1,610 - 19 C, το καταλαβαίνουμε Vbi=0,83B - αυτή είναι η διαφορά δυναμικού επαφής κατά τη διάρκεια του σχηματισμούμετάβαση pn.

Σε θερμική ισορροπία, το ηλεκτρικό πεδίο στα ουδέτερα μέρη του ημιαγωγού είναι μηδέν. Επομένως, το συνολικό αρνητικό φορτίο ανά μονάδα επιφάνειας στην περιοχή p είναι ίσο με το συνολικό θετικό φορτίο ανά μονάδα επιφάνειας n - περιοχές:

, (3.3)

Εδώ x n και x p είναι τα μεγέθη των εξαντλημένων περιοχών.

Να υπολογίσετε το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου Ε(x) στην εξαντλημένη περιοχή και την έκτασή του x n + x p χρησιμοποιούμε την εξίσωση που σχετίζεται με την κατανομή δυναμικού V με φόρτιση  – μονοδιάστατη εξίσωση Poisson:

, (3.4)

όπου s είναι η διηλεκτρική σταθερά του ημιαγωγού, s =  0  , όπου  0 - διαπερατότητα κενού 0 \u003d 9 * 10 -14 F / cm,  - σχετική διηλεκτρική σταθερά του ημιαγωγού (για πυρίτιο = 11,9).

Γενικά, η πυκνότητα φορτίου σε έναν ημιαγωγό γράφεται ως εξής:

όπου και είναι οι συγκεντρώσεις των ιονισμένων προσμίξεων.

Για την περιοχή ν - ο τύπος μπορεί να γραφτεί:

, (3.5a)

για την περιοχή p:

(3.5β)

Ενσωμάτωση της έκφρασης (3.5b) σε x στο εύρος από x=0 έως x=xΠ λαμβάνουμε την κατανομή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην εξαντλημένη περιοχή τύπου p:

(3.6a)

Ομοίως για την έκφραση (3.5a) παίρνουμε:

(3.6β)

Λάβαμε μια γραμμική κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή εξάντλησης, η οποία φαίνεται στο Σχήμα 3.4. Μπορεί να φανεί ότι στο x=0 το ηλεκτρικό πεδίο παίρνει μια μέγιστη τιμή:

(3.7)

Λαμβάνοντας υπόψη το (3.7), η έκφραση (3.6β) μπορεί να εκφραστεί ως

Λάβαμε μια τετραγωνική κατανομή δυναμικού, η οποία φαίνεται στο Σχήμα 3.6

Εξίσωση τιμών V (x) στο x =0 και λαμβάνοντας υπόψη V p - V n = V bi παίρνουμε:

Ή, λαμβάνοντας υπόψη το (3.7), γράφουμε

ή, (3.8)

Όπου ο W είναι το συνολικό πλάτος της εξαντλημένης περιοχής.

Ας προσδιορίσουμε τη σχέση μεταξύ του πλάτους της περιοχής εξάντλησης και των συγκεντρώσεων ακαθαρσιών και στις δύο πλευρέςμετάβαση pn.

Από το (3.8), λαμβάνοντας υπόψη το (3.7), γράφουμε:

Καθώς:

Μετακίνηση x n και x p στη δεξιά πλευρά και προσθέστε και τις δύο εκφράσεις:

Επειδή x n + x p = W , τότε εκφράζουμε το W :

(3.9)

Για μια ασύμμετρη μετάβαση, στην οποία N A  Το N D μπορεί να γραφτεί:

(3.10)

δηλ. πλάτος pn Η μετάβαση καθορίζεται από τη συγκέντρωση ακαθαρσιών στην περιοχή υψηλής αντοχής.

Υποθέτοντας V bi =0,83 B και N D = 10 16 cm-3, παίρνουμε για πυρίτιο W  x n  0,3 μm

Λαμβάνοντας υπόψη την παρεχόμενη αντίστροφη τάση V έως pn μετάβαση, μπορούμε να γράψουμε:

(3.11)

εκείνοι. το πλάτος μετάβασης αυξάνεται με την τάση.

Διάλεξη 4

Χαρακτηριστικό Volt-ampere της διασταύρωσης p-n

Η έκφραση για το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μπορεί να υπολογιστεί με βάση μερικές από τις ακόλουθες παραδοχές: 1) μια προσέγγιση εξαντλημένου στρώματος με αιχμηρά όρια, π.χ. Η διαφορά δυναμικού επαφής και η εφαρμοζόμενη τάση εξισορροπούνται από φορτισμένα στρώματα n - και τύπου p, εκτός των οποίων ο ημιαγωγός θεωρείται ουδέτερος. 2) Προσεγγίσεις Boltzmann, δηλ. Στην εξαντλημένη περιοχή, οι κατανομές Boltzmann είναι έγκυρες, οδηγώντας σε εκφράσεις (2.7). 3) προσεγγίσεις χαμηλού επιπέδου έγχυσης, δηλ. όταν η πυκνότητα των εγχυόμενων φορέων είναι μικρή σε σύγκριση με τη συγκέντρωση των περισσότερων φορέων. 4) η απουσία ρευμάτων παραγωγής στο εξαντλημένο στρώμα και η σταθερότητα των ρευμάτων ηλεκτρονίων και οπών που ρέουν μέσα από αυτό.

Μετασχηματίζοντας τις εκφράσεις (2.7) βρίσκουμε:

(4.1a)

, (4.1b)

όπου  και  - δυναμικά που αντιστοιχούν στο μέσο του κενού ζώνης και στο επίπεδο Fermi ( =  E i / q ,  =  E F / q ). (Για μεμονωμένους ημιαγωγούς n - και p-τύπου Fermi επίπεδο Εφά ο καθένας έχει το δικό του). Σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας, το προϊόν np ισούται με n i 2 . Αλλά όταν εφαρμόζεται τάση στη διασταύρωση και στις δύο πλευρές της διασταύρωσης, η συγκέντρωση των φορέων μειοψηφίας αλλάζει λόγω της έγχυσης και από τις δύο πλευρές της διασταύρωσης και του προϊόντοςΤο np δεν είναι πλέον ίσο με το n i 2 . Δεδομένου ότι το ρεύμα ρέει, το επίπεδο Fermi δεν είναι το ίδιο στη δομή και οι τιμές των ληφθέντων επιπέδων (οιονεί επίπεδα Fermi) καθορίζονται από τις εκφράσεις:

(4.2a)

, (4.2b)

όπου  n και  p - Οιονεί επίπεδα Fermi (δυναμικά) για ηλεκτρόνια και οπές, αντίστοιχα. Ας τα εκφράσουμε:

(4.3a)

, (4.3b)

Από το (4.2) βρίσκουμε το (4.4)

Για προκατάληψη προς τα εμπρός ( p -  n ) > 0 και pn > n i 2 και με αντίστροφη προκατάληψη ( p -  n )< 0 и pn < n i 2 .

για να προσδιορίσουμε το ρεύμα, χρησιμοποιούμε την έκφραση (2.13)

=(λάβετε υπόψη ότι E   ) =

Ας αναπαραστήσουμε και, λαμβάνοντας υπόψη την (4.2a), = .

πιθανή κλίση. Δεδομένου αυτού =.

Εκείνοι. πήραμε για ηλεκτρονικό ρεύμα J n :

(4.5)

Ομοίως, για το ρεύμα οπής έχουμε:

(4.6)

Βρήκαμε ότι οι πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών είναι ανάλογες με τις διαβαθμίσεις των σχεδόν Fermi επιπέδων για τα ηλεκτρόνια και τις οπές, αντίστοιχα. Σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας =0 και J n = J p =0.

Το διάγραμμα ζώνης με επίπεδα σχεδόν Fermi, κατανομή δυναμικού και συγκέντρωση φορέα στη διασταύρωση φαίνονται στο Σχήμα 4.1

Η διαφορά των ηλεκτροστατικών δυναμικών επί pn η μετάβαση καθορίζεται από την τιμή

(4.7)

Για τη συγκέντρωση ηλεκτρονίων στην περιοχή p στο μεταβατικό όριο στο x = x r γράφουμε χρησιμοποιώντας (4.7) και (4.4):

, (4.8)

όπου n p 0 - συγκέντρωση ισορροπίας ηλεκτρονίων στην περιοχή p

Ομοίως

(4.9)

p n είναι η συγκέντρωση των οπών μέσα n - περιοχές στα όρια του εξαντλημένου στρώματος στο x=x n και p n 0 είναι η συγκέντρωση ισορροπίας των οπών μέσα n - περιοχές.

Χρησιμοποιούμε τις τελευταίες εκφράσεις για να προσδιορίσουμε τη σχέση μεταξύ ρεύματος και τάσης.

Για να το κάνουμε αυτό, χρησιμοποιούμε τις ακόλουθες ιδέες σχετικά με τη ροή του ρεύματος. Τρύπες, που πέφτουν μέσα από την περιοχή εξάντλησης στο p / p n - τύπος ανασυνδυασμού με ηλεκτρόνια κατά τη διάρκεια της ζωής σελ , έτσι ώστε ο ρυθμός ανασυνδυασμούΤο U θα είναι ίσο με

Αυτό το ρεύμα έγχυσης στο όριο της περιοχής εξάντλησης στο x=x n , όπου το ηλεκτρικό πεδίο είναι μηδέν (βλ. Εικ. 3.4), καθορίζεται από τη διάχυση των οπών αλλάζοντας τη βαθμίδα συγκέντρωσης της οπής σε n περιοχή, ώστε να μπορούμε να γράψουμε:

(4.10)

Η εξίσωση (4.10) είναι μια εξίσωση συνέχειας απουσία ηλεκτρικού πεδίου και σε σταθερή τρέχουσα κατάσταση (στάσιμη κατάσταση). Ονομάζεται επίσης εξίσωση διάχυσης. Πράγματι, η αριστερή πλευρά μπορεί να ερμηνευθεί ως αλλαγή στη συγκέντρωση των οπών με την πάροδο του χρόνου και η δεξιά πλευρά μπορεί να ερμηνευθεί ως ανακατανομή οπών στον ίδιο όγκο όπου αλλάζει η συγκέντρωση. Έτσι συμβαίνει η διάχυση.(Δεύτερος νόμος του Fick για τη διάχυση).

Επειδή , γράφουμε:

Ή (4.11)

Σημειώσε ότι; μεγάλο - αντιπροσωπεύει το μήκος διάχυσης που χαρακτηρίζει την απόσταση που διανύει ο φορέας κατά τη διάρκεια της ζωής του πριν από τον ανασυνδυασμό.

Η ακίνητη εξίσωση (4.11) είναι μια συνηθισμένη γραμμική εξίσωση δεύτερης τάξης. Η λύση του είναι το άθροισμα των εκθετών:

Σημειώστε ότι η συγκέντρωση περίσσειας φορέων για x = , δηλ.  p( ) = 0, άρα ο συντελεστής του πρώτου όρου Α 1=0. Για x \u003d x n A 2 \u003d  p (x n), από εδώ:

Δεδομένου ότι.  р(х n ) = p n (4.9) παίρνουμε:

(4.12)

Λαμβάνοντας υπόψη το (2.11) για x=x n (όταν το πεδίο E=0) η πυκνότητα ρεύματος της οπής είναι ίση με

(4.13)

(Κατά την εξαγωγή του τύπου (4.13), λάβαμε υπόψη ότι)

Ομοίως, λαμβάνοντας υπόψη την περιοχή p, λαμβάνουμε την πυκνότητα ρεύματος ηλεκτρονίων

(4.14)

Το συνολικό ρεύμα κατά τη μετάβαση είναι ίσο με το άθροισμα των ρευμάτων (4.13) και (4.14):

, (4.15)

Όπου + (4.16)

Οι εκφράσεις (4.15-4.16) είναι ο γνωστός τύπος Shockley που περιγράφει το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας ιδανικής διόδου (Εικόνα 4.2)

Με πόλωση προς τα εμπρός (παροχή θετικής τάσης στην περιοχή p) στο V > 3 kT / q η κλίση του χαρακτηριστικού ιδανικής μετάβασης είναι σταθερή, όπως φαίνεται από το Σχ. 4.2b, και με αντίστροφη πόλωση, η πυκνότητα του ρεύματος κορεστεί και γίνεται ίση με J s .

Με την αποδυνάμωση των υποθέσεων που διατυπώθηκαν στην αρχή της διάλεξης, σύμφωνα με τις οποίες το pn οι κλάδοι μετάβασης, οι άμεσοι και οι αντίστροφοι του CVC διαφέρουν από τους ιδανικούς που περιγράφονται από τις εκφράσεις (4.15) και (4.16).

Διάλεξη 5

ιδιότητες μετάβασης pn

5.1 Εξάρτηση χαρακτηριστικών V από τη θερμοκρασία

Εξετάστε την επίδραση της θερμοκρασίας στην πυκνότητα του ρεύματος κορεσμού Js . Για να το κάνετε αυτό, εξετάστε τον πρώτο όρο στην έκφραση (4.16). (ο δεύτερος όρος είναι παρόμοιος με τον πρώτο και στην περίπτωση ενός απότομου ασύμμετρουμετάβαση pn όταν N p >> N d ή p n 0 >> n p 0 ο δεύτερος όρος μπορεί γενικά να παραμεληθεί). Όλες οι ποσότητες στην έκφραση (4.16) εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Μπορεί να αποδειχθεί ότι Dp εξαρτάται από τη θερμοκρασία όπως T 3/2 , D p /  p που σχετίζεται με τη θερμοκρασία ως T(3+  )/2 , όπου  είναι σταθερά.

Μετασχηματίζουμε το J s από το (4.16), εκφράζοντας p n 0 = n i 2 / n n 0 και χρησιμοποιώντας την έκφραση για ni (2.4):

(5.1)

Εξάρτηση από τη θερμοκρασία του συντελεστή ισχύος T(3+  )/2 πολύ πιο αδύναμη από την εκθετική.Κλίση εξάρτησης lnJs από 1/Τ είναι μια ευθεία γραμμή και η κλίση της καθορίζεται από το διάκενο ζώνηςΠ.χ , εάν δεν υπάρχει άλλος μηχανισμός για την κυριαρχία του ρεύματος αντίστροφης διασταύρωσης.

5.2 Χωρητικότητα φραγμού

Ειδική χωρητικότητα φραγμού pn η μετάβαση ορίζεται από την έκφραση C dQ c / dV , όπου Q γ - αύξηση της πυκνότητας φορτίου που προκαλείται από μια αρκετά μικρή αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης.

Για μια μη ισορροπημένη απότομη μετάβαση, το πλάτος της περιοχής εξάντλησης αλλάζει με την εφαρμογή τάσης V like

(σύγκριση με (3.11)) (5.2)

Η χρέωση της εξαντλημένης περιοχής αλλάζει επίσης: , επομένως

(F/cm 2 ) (5.3)

Τα σύμβολα συν και μείον αντιστοιχούν σε αντίστροφη και μπροστινή προκατάληψη.

Αν εκφράσουμε την τιμή 1/C 2, τότε παίρνουμε:

(5.4)

Βλέπουμε μια γραμμική σχέση 1/С 2 από τη μετατόπιση V . Κλίση γραμμής 1/C 2 προσδιορίζεται από τη συγκέντρωση ακαθαρσιώνΝ Δ , και το σημείο τομής με τον άξονα της τετμημένης (για 1/С 2 = 0) δίνει την τιμή Vbi.

5.3 Διαδικασίες παραγωγής-ανασυνδυασμού φορέων.

Ο τύπος Shockley (4.15) περιγράφει ικανοποιητικά τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης του γερμανίου pn μεταβάσεις σε χαμηλές πυκνότητες ρεύματος. Ωστόσο, για ημιαγωγούς με μεγαλύτερο διάκενο ζώνης (πυρίτιο, αρσενίδιο γάλλιο) και, κατά συνέπεια, με μικρότερη τιμή n i , αυτός ο τύπος δίνει μόνο ποιοτική συμφωνία με τα πραγματικά χαρακτηριστικά. Οι κύριοι λόγοι για την απόκλιση του χαρακτηριστικού από το ιδανικό είναι: 1) η επίδραση των διαδικασιών δημιουργίας και ανασυνδυασμού των φορέων στο εξαντλημένο στρώμα, 2) το υψηλό επίπεδο έγχυσης στην εμπρόσθια πόλωση, 3) η επίδραση της αντίστασης σειράς.

Με μια αντίστροφη προκατάληψη της μετάβασης, όταν η διαδικασία της εκπομπής φορέα θα είναι κυρίαρχη στη μετάβαση. Σε αυτήν την περίπτωση, ο ρυθμός δημιουργίας ζευγών ηλεκτρονίων-οπών υπό αυτές τις συνθήκες θα καθοριστεί από τη διάρκεια ζωής:

, (5.5)

όπου  ε - η διάρκεια ζωής καθορίζεται από τη συγκέντρωση των κέντρων παραγωγής (βλ. 2.15). Η πυκνότητα ρεύματος λόγω παραγωγής στην εξαντλημένη περιοχή θεωρείται ότι είναι

, (5.6)

όπου ο W είναι το πλάτος του εξαντλημένου στρώματος. Η εξάρτηση από τη θερμοκρασία του ρεύματος παραγωγής καθορίζεται από την εξάρτηση από τη θερμοκρασία n i, όχι n Εγώ2 , ως προς το ρεύμα διάχυσης. Σε αυτή την περίπτωση, η κλίση του χαρακτηριστικού σε λογαριθμική κλίμακα από την αντίστροφη θερμοκρασία (lnJ = φά(1/ Τ) για το ρεύμα παραγωγής είναι δύο φορές μικρότερο από ό,τι για το ρεύμα διάχυσης, δηλ.καθορίζεται από την τιμήμισολ/2.

Σε μια δεδομένη θερμοκρασία, το πλάτος του στρώματος εξάντλησης μιας απότομης μετάβασης αυξάνεται με την τάση όπως (5.2) και το συνολικό αντίστροφο ρεύμα καθορίζεται από το άθροισμα του ρεύματος διάχυσης στην ουδέτερη περιοχή και του ρεύματος παραγωγής:

(5.7)

Σε ημιαγωγούς μεγάλης αξίαςnΕγώ, όπως το γερμάνιο, κυριαρχεί το ρεύμα διάχυσης. ΑνnΕγώείναι μικρό (όπως στο πυρίτιο), τότε κυριαρχεί το ρεύμα παραγωγής. Σε αυτή την περίπτωση, η τιμή του ρεύματος αντίστροφης μετάβασης αυξάνεται απότομα, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.1 .

Στην περίπτωση της πόλωσης προς τα εμπρός, όταν συμβαίνουν έντονες διεργασίες ανασυνδυασμού στο εξαντλημένο στρώμα, το ρεύμα ανασυνδυασμού προστίθεται στο ρεύμα διάχυσης, το οποίο είναι αισθητό στην καμπύλη ) της Εικόνας 5.1. Με μια περαιτέρω ισχυρή αύξηση του ρεύματος, η συγκέντρωση των εγχυόμενων φερόντων μειοψηφίας συγκρίνεται με τη συγκέντρωση των πλειοψηφικών φορέων και εδώ είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη όχι μόνο η διάχυση, αλλά και η συνιστώσα μετατόπισης του ρεύματος. Αυτό οδηγεί σε αλλαγή της κλίσης του άμεσου χαρακτηριστικού της μορφής γ) της Εικόνας 5.1. Και, τέλος, σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος, η αντίσταση πεπερασμένης σειράς των περιοχών που γειτνιάζουν με τη δίοδο αρχίζει να παίζει ρόλο (καμπύλη d) στο σχήμα 5.1. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, υπάρχει μια απόκλιση του κλάδου συνεχούς ρεύματος σε ημιλογαριθμική κλίμακα από την ιδανική, που καθορίζεται από την τιμή της κλίσηςq/ κT, που προκύπτει από την εξίσωση (4.15).

5.4 Ικανότητα διάχυσης

Στην περίπτωση της πόλωσης προς τα εμπρός, η χωρητικότητα διάχυσης κυριαρχεί στην χωρητικότητα της διασταύρωσης λόγω μιας αλλαγής στην κατανομή συγκέντρωσης των μειοψηφικών φορέων. Το ισοδύναμο κύκλωμα μετάβασης για μπροστινή πόλωση φαίνεται στο Σχήμα 5.2.

Μια τέτοια χωρητικότητα εκδηλώνεται με ένα μεταβλητό σήμα. Στη συνέχεια η αγωγιμότητα της μετάβασηςσολκαι η χωρητικότητά τουντομπορεί να προσδιοριστεί λαμβάνοντας υπόψη το διάγραμμα της Εικόνας 5.2. Ταυτόχρονα, ο C dQ/ dV ~ ρε(q n)/ dV, πουρε( n)/ dV- αλλαγή στη συγκέντρωση των φορέων μειοψηφίας με μεταβλητό σήμα.

5.5 Βλάβη σύνδεσης pn

Με μεγάλη αντίστροφη προκατάληψηpnδιασταύρωση, η οποία δημιουργεί ένα μεγάλο ηλεκτρικό πεδίο, η διασταύρωση «σπάει», δηλ. ένα μεγάλο ρεύμα ρέει μέσα από αυτό. Υπάρχουν τρεις μηχανισμοί διάσπασης: θερμικός, τούνελ και χιονοστιβάδα.

Όταν ρέει μεγάλο ρεύμα σε μια ανάστροφη διασταύρωση, απελευθερώνεται θερμότητα (αυτό ισχύει ιδιαίτερα για υλικά με μικρό διάκενο ζώνης, όπως το γερμάνιο). Η αύξηση της θερμοκρασίας στη διασταύρωση οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος (για παράδειγμα, όπως στο (5.1), που οδηγεί και πάλι σε αύξηση της θερμοκρασίας κ.λπ., που μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή της διόδου (η δίοδος "καίγεται ") αν δεν ληφθούν μέτρα περιορισμού του ρεύματος.Τέτοιο φαινόμενο ονομάζεταιθερμικόςέπαθε βλάβη. Προσπαθούν να μην επιτρέπουν τέτοιο τρόπο λειτουργίας, λόγω καταστροφής της συσκευής.

σήραγγαη διάσπαση γίνεται σεpnμετάβαση, της οποίας και οι δύο πλευρές είναι εκφυλισμένες (πολύ ντοπαρισμένες). Το επίπεδο Fermi σε κάθε πλευρά δεν θα βρίσκεται στο κενό ζώνης, αλλά στη ζώνη αγωγιμότητας γιαn- τύπος p / p και στη ζώνη σθένους για p / p p-type.

Το ενεργειακό διάγραμμα μιας τέτοιας διόδου φαίνεται στο σχήμα 5.3

Το πλάτος τέτοιωνpnη μετάβαση είναι μικρότερη από 100Å. Ακόμη και μικρές τάσεις σε μια τέτοια διασταύρωση οδηγούν σε πολύ μεγάλο ηλεκτρικό πεδίο ~106 w/cm Με μια μικρή αντίστροφη πόλωση, τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους τύπου p / p p μπορούν να μετακινηθούν σε ελεύθερες θέσεις στη ζώνη αγωγιμότηταςn-τύπος - διάβαση σήραγγας μέσω δυνητικού φράγματος. (Αυτό είναι ένα κβαντικό φαινόμενο. Σημαίνει ότι η κυματική συνάρτηση του ηλεκτρονίου στην αριστερή πλευρά είναι διαφορετική από το μηδέν στη δεξιά πλευρά, που σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο έχει πιθανότητα εντοπισμού στη δεξιά πλευρά και αυτή η πιθανότητα είναι διαφορετική από το μηδέν σε μια πεπερασμένη τιμή του φραγμού δυναμικού κοντά στομισολ). Αυτός ο τύπος ροής ρεύματος με αντίστροφη πόλωση ονομάζεταισήραγγα. Η μορφή ενός τέτοιου χαρακτηριστικού φαίνεται στο Σχήμα 5.4. Τέτοιες δίοδοι ονομάζονταιΔίοδοι Zenerπήρε το όνομά του από τον επιστήμονα Carlos Zener, ο οποίος ερεύνησε για πρώτη φορά ένα τέτοιο φαινόμενο το 1933. Αυτός ο μηχανισμός βλάβης λειτουργεί έως και 5,5 V, τότε επικρατεί ο μηχανισμός βλάβης χιονοστιβάδας.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το χάσμα ζώνης, όπως δείχνουν τα πειράματα, μειώνεται και η τάση διάσπασης της σήραγγας πέφτει, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.4.

Το πιο συνηθισμένο είναιχιονοστιβάδαέπαθε βλάβη. Η κατανομή της χιονοστιβάδας βασίζεται στο φαινόμενο του «πολλαπλασιασμού των φορέων» σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο που δρα στην περιοχή μετάβασης. Ένα ηλεκτρόνιο και μια τρύπα που επιταχύνονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο πάνω από τη μέση ελεύθερη διαδρομή μπορούν να σπάσουν έναν από τους ομοιοπολικούς δεσμούς ενός ουδέτερου ατόμου ημιαγωγού. Ως αποτέλεσμα, γεννιέται ένα νέο ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών και η διαδικασία επαναλαμβάνεται με τη συμμετοχή νέων φορέων. Σε αρκετά υψηλή ένταση πεδίου, όταν το αρχικό ζεύγος δημιουργεί περισσότερα από ένα νέα ζεύγη, ο ιονισμός αποκτά χαρακτήρα χιονοστιβάδας, παρόμοιο με μια αυτοσυντηρούμενη εκκένωση αερίων. Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα θα περιοριστεί μόνο από εξωτερική αντίσταση.

Αν το πλάτος μετάβασης είναιW, τότε το μέγιστο ηλεκτρικό πεδίο EΜ, που προκαλεί μια διαδικασία χιονοστιβάδας, σχετίζεται με την τάση διάσπασηςVσιέκφραση: δηλ. πεδίο ΕΜπου παράγεται από την τάσηVσιεφαρμόζεται στο ήμισυ της μετάβασης.

Επειδή (βλ. (3.7)) , αλλά για μια απότομη μετάβαση, στην οποίαΝΕΝΑ>> Νρε, που σημαίνειΧn>> ΧΠκαιΧn W, μπορούμε να γράψουμε ή, τότε

(5.8)

Προφανώς, με την αύξηση της συγκέντρωσης, το μέγεθος της εξαντλημένης περιοχής γίνεται μικρότερο και στην ίδια τιμή του ΕΜτάση διάσπασηςVV.μειώνεται.

Το γράφημα στο σχήμα 5.5 απεικονίζει αυτό το συμπέρασμα.

Για να υπολογίσετε το ΕΜχρησιμοποιείται ο εμπειρικός τύπος:

, (5.9)

πουΝσιμετρημένο σε cm-3

Γιαpnμεταβάσεις με άλλα προφίλ ακαθαρσιών (όχι αιχμηρά), μια τέτοια τάση (μείωση της τάσης διάσπασης με αυξανόμενη συγκέντρωση) είναι παρόμοια.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η τάση διάσπασης της χιονοστιβάδας αυξάνεται (σε ​​αντίθεση με τη διάσπαση της σήραγγας). Σε αυξημένη θερμοκρασία, οι φορείς ξοδεύουν την ενέργειά τους πιο εύκολα στην αλληλεπίδραση με τους κραδασμούς του πλέγματος (φωνόνια) παρά στον ιονισμό, επομένως πρέπει να αυξήσετε το ηλεκτρικό πεδίο και επομένως την αντίστροφη τάση για να επιτύχετε το φαινόμενο της χιονοστιβάδας.

Σημειώνουμε ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό της κατάρρευσης χιονοστιβάδωνpnμεταβάσεις που δημιουργούνται σε τοπικές περιοχές της επιφάνειας του πυριτίου (αυτό είναι ~ 99% όλων των διόδων). Όπως φαίνεται από το Σχήμα 5.6, τέτοιες δίοδοι καλύπτουν κυλινδρικές και σφαιρικές περιοχές, στις οποίες το μέγεθος της περιοχής εξάντλησης είναι μικρότερο από αυτό του επίπεδου τμήματος και, κατά συνέπεια, η ένταση του πεδίου είναι μεγαλύτερη για μια δεδομένη τάση διασταύρωσης. Είναι σε τέτοια μέρη που θα λάβει χώρα η κατάρρευση της χιονοστιβάδας της μετάβασης.

Αυτό είναι ιδιαίτερα αισθητό κατά το σχηματισμόσημειακές δίοδοι- δίοδοι με πολύ μικρή περιοχή ηλεκτρικής διασταύρωσης, η οποία μπορεί να ληφθεί με τη σύντηξη μιας μεταλλικής βελόνας με μια ακαθαρσία που εναποτίθεται πάνω της σε μια πλάκα ημιαγωγών με συγκεκριμένο τύπο ηλεκτρικής αγωγιμότητας. (Εικ. 5.7)

Λόγω της μικρής περιοχής της διασταύρωσης p-n και ως αποτέλεσμα της μικρής χωρητικότητας της διασταύρωσης, μια σημειακή δίοδος έχει συνήθως μια περιοριστική συχνότητα περίπου 300-600 MHz. Όταν χρησιμοποιείτε μια πιο αιχμηρή βελόνα χωρίς ηλεκτροσχηματισμό, λαμβάνονται σημειακές δίοδοι με περιοριστική συχνότητα της τάξης των δεκάδων gigahertz.

1 Εφεύρεση από τους Bardeen, Brettain και Shockley του διπολικού τρανζίστορ στο Bell Lab. Ενσωματώθηκε το 1947.

2 Οι δείκτες c και v προέρχονται από τη ζώνη αγωγιμότητας και τη ζώνη σθένους

3 Το ηλεκτροχημικό δυναμικό χαρακτηρίζει στη θερμοδυναμική την αύξηση της ενέργειας του συστήματος, με μεταβολή του αριθμού των φορέων ανά μονάδα

4 S Zee "Φυσική συσκευών ημιαγωγών" Βιβλίο 1 σελίδα 22

Η παρουσία ιόντων ακαθαρσίας και κινητών φορέων φορτίου στη διασταύρωση p-n που βρίσκεται κοντά στο μεταβατικό όριο καθορίζει τις χωρητικές του ιδιότητες.

Υπάρχουν δύο συνιστώσες της χωρητικότητας της διασταύρωσης p–n: το φράγμα (φόρτιση) Cbar και το Cdiff διάχυσης. Η χωρητικότητα φραγμού οφείλεται στην παρουσία ακαθαρσιών δότη και δέκτη στη διασταύρωση p-n, οι περιοχές p και n σχηματίζουν, όπως ήταν, 2 φορτισμένες πλάκες πυκνωτών και το ίδιο το εξαντλημένο στρώμα χρησιμεύει ως διηλεκτρικό. Στη γενική περίπτωση, η εξάρτηση της χωρητικότητας φόρτισης από την αντίστροφη τάση που εφαρμόζεται στη διασταύρωση p-n εκφράζεται με τον τύπο.

όπου C 0 είναι η χωρητικότητα της διασταύρωσης p–n στο Uobr=0.

Το γ είναι ένας συντελεστής που εξαρτάται από τον τύπο της μετάβασης p–n (για απότομες μεταβάσεις γ = 1/2 και για ομαλές μεταβάσεις γ = 1/3). Μπορεί να φανεί από αυτή την έκφραση ότι με αύξηση της αντίστροφης τάσης, η χωρητικότητα φραγμού μειώνεται. Εκείνοι. με την αύξηση της αντίστροφης τάσης, το πάχος του εξαντλημένου στρώματος της σύνδεσης p-n αυξάνεται, οι πλάκες του πυκνωτή φαίνεται να απομακρύνονται και η χωρητικότητά του πέφτει. Αυτή η ιδιότητα της χωρητικότητας φραγμού επιτρέπει στη διασταύρωση να χρησιμοποιηθεί ως χωρητικότητα που ελέγχεται από το μέγεθος της αντίστροφης τάσης.

Η εξάρτηση της χωρητικότητας από την εφαρμοζόμενη τάση ονομάζεται χαρακτηριστικό χωρητικότητας-τάσης. Όπου η καμπύλη είναι μια καμπύλη p-n-διασταύρωση 1, το 2 είναι μια απότομη.

Η ικανότητα διάχυσης οφείλεται σε μια αλλαγή στον αριθμό των φορέων φορτίου μη ισορροπίας στις περιοχές p και n (καμπύλη 3).

Ipr είναι το συνεχές ρεύμα που διαρρέει τη διασταύρωση, τ είναι η διάρκεια ζωής των εγχυόμενων φορέων χωρίς ισορροπία.

Κατά τη μετάβαση στην περιοχή των μπροστινών τάσεων, όχι μόνο αυξάνεται η χωρητικότητα φραγμού, αλλά και η χωρητικότητα λόγω της συσσώρευσης ενός φορτίου μη ισορροπίας στις περιοχές μετάβασης p και n. Οι συσσωρευμένοι φορείς στις περιοχές p και n ανασυνδυάζονται γρήγορα, επομένως, η ικανότητα διάχυσης μειώνεται με το χρόνο. Ο ρυθμός διάσπασης εξαρτάται από τη διάρκεια ζωής τ των φορέων φορτίου μη ισορροπίας. Η χωρητικότητα διάχυσης περιορίζεται πάντα από μια μικρή άμεση αντίσταση της διασταύρωσης p-n και καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την ταχύτητα των στοιχείων ημιαγωγών.

Ένα ισοδύναμο κύκλωμα διασταύρωσης pn είναι ένα μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την ανάλυση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που περιλαμβάνουν διόδους p/n.

Οι παράμετροι Lv - αυτεπαγωγή μολύβδου και Ck - χωρητικότητα θήκης χρησιμοποιούνται όταν η δομή τοποθετείται στη θήκη.

Το ισοδύναμο κύκλωμα για την επανενεργοποίηση της μετάβασης φαίνεται διαφορετικό:

Σε υψηλά συνεχή ρεύματα, το Sat μπορεί να εξαιρεθεί από το ισοδύναμο κύκλωμα.

16. Ταξινόμηση διόδων p / p. Σύστημα σημειογραφίας. Υπό όρους γραφικές ονομασίες διόδους p / p.

Η δίοδος ημιαγωγών είναι μια ηλεκτρική συσκευή μετατροπής που περιέχει μία ή περισσότερες συνδέσεις και δύο καλώδια για σύνδεση σε εξωτερικό κύκλωμα.

Οι δίοδοι P / p ταξινομούνται: ανάλογα με τον τύπο του υλικού πηγής, το σχεδιασμό και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά, τον σκοπό κ.λπ. Ανάλογα με τον τύπο του υλικού πηγής, οι δίοδοι είναι: γερμάνιο, πυρίτιο, σελήνιο, καρβίδιο πυριτίου, αρσενίδιο γαλλίου κ.λπ. Σύμφωνα με το σχεδιασμό και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά: σημειακή, κράμα, μικροκράμα, διάχυση, επιταξιακή, με φράγμα Schottky, πολυκρυσταλλική κ.λπ. Χωρίζονται κατά σκοπό σε: 1. Ανορθωτή (ισχύς), σχεδιασμένος να μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση των τροφοδοτικών βιομηχανικής συχνότητας σε άμεση. 2. Δίοδοι Zener (δίοδοι αναφοράς) σχεδιασμένες να σταθεροποιούν τις τάσεις, που έχουν ένα τμήμα στον αντίστροφο κλάδο του CVC με ασθενή εξάρτηση της τάσης από το ρεύμα ροής. 3. Varicaps σχεδιασμένα να λειτουργούν σε παλμικά συστήματα υψηλής ταχύτητας. 5. Σήραγγες και αντίστροφες δίοδοι σχεδιασμένες να ενισχύουν, να δημιουργούν και να αλλάζουν ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας. 6. Φούρνος μικροκυμάτων, σχεδιασμένος για μετατροπή, εναλλαγή, δημιουργία ταλαντώσεων μικροκυμάτων. 7. LED σχεδιασμένα να μετατρέπουν ένα ηλεκτρικό σήμα σε φωτεινή ενέργεια. 8. Φωτοδίοδοι σχεδιασμένες να μετατρέπουν την φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρικό σήμα. Σύστημα σημειογραφίας.Αποτελείται από αλφαβητικά και αριθμητικά στοιχεία. Το πρώτο στοιχείο της ονομασίας είναι ένα γράμμα ή ένας αριθμός που καθορίζει το αρχικό υλικό της διόδου: G ή 1 - γερμάνιο ή οι ενώσεις του. Κ ή 2 - πυρίτιο ή οι ενώσεις του. Α ή 3 - αρσενίδιο γαλλίου και ενώσεις γαλλίου. Το δεύτερο στοιχείο είναι ένα γράμμα που υποδεικνύει το σκοπό της διόδου: D - ανορθωτής, παλμός. C - δίοδοι zener. Β - κιρσοί? Και - σήραγγα, μετατράπηκε. Ενας φούρνος μικροκυμάτων; L - LED? F - φωτοδίοδοι. Το τρίτο στοιχείο είναι ένας αριθμός που υποδεικνύει τα ενεργειακά χαρακτηριστικά της διόδου. Το τέταρτο στοιχείο είναι δύο ψηφία που υποδεικνύουν τον αριθμό ανάπτυξης. Το πέμπτο στοιχείο είναι ένα γράμμα που χαρακτηρίζει τις ειδικές παραμέτρους της διόδου. Γραφικές εικόνες υπό όρους.

Οι ακροδέκτες μιας διόδου ονομάζονται άνοδος και κάθοδος. Η άνοδος είναι η έξοδος μιας ηλεκτρονικής συσκευής στην οποία ρέει συνεχές ρεύμα από ένα εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα. Κάθοδος - η έξοδος μιας ηλεκτρονικής συσκευής, από την οποία ένα συνεχές ρεύμα ρέει σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα. Το βέλος στον χαρακτηρισμό της διόδου δείχνει την περιοχή n της διασταύρωσης.

"

Μηχανισμός αντίστροφης ροήςμέσω της μετάβασης είναι σχετικά απλή. Οι φορείς φόρτισης που είναι δευτερεύοντες για μία από τις περιοχές, που παρασύρονται στο ηλεκτρικό πεδίο της περιοχής φόρτισης όγκου, εμπίπτουν στην περιοχή όπου είναι ήδη οι κύριοι φορείς. Δεδομένου ότι η συγκέντρωση των πλειοψηφικών φορέων συνήθως υπερβαίνει σημαντικά τη συγκέντρωση των μειοψηφικών φορέων στη γειτονική περιοχή (n n>> npκαι σελ σελ >> p n), τότε η εμφάνιση σε μια συγκεκριμένη περιοχή του ημιαγωγού μιας ασήμαντης πρόσθετης ποσότητας των κύριων φορέων φορτίου πρακτικά δεν αλλάζει την κατάσταση ισορροπίας του ημιαγωγού.

Μια διαφορετική εικόνα προκύπτει με τη ροή του συνεχούς ρεύματος . Σε αυτή την περίπτωση, κυριαρχεί η συνιστώσα διάχυσης του ρεύματος, που αποτελείται από πλειοψηφικούς φορείς φορτίου που ξεπερνούν το φραγμό του δυναμικού και διεισδύουν στην περιοχή του ημιαγωγού για τον οποίο είναι φορείς μειοψηφίας. Σε αυτή την περίπτωση, η συγκέντρωση των φορέων μειοψηφίας μπορεί να αυξηθεί σημαντικά σε σύγκριση με τη συγκέντρωση ισορροπίας. Το φαινόμενο της εισαγωγής φορέων μη ισορροπίας ονομάζεται ένεση.

Όταν διαρρέει συνεχές ρεύμα p-n-η μετάβαση από την ηλεκτρονική περιοχή στην περιοχή της οπής θα είναι η έγχυση ηλεκτρονίων, από την περιοχή της οπής στην ηλεκτρονική περιοχή, η έγχυση οπών.

Για απλότητα, θα εξετάσουμε περαιτέρω μόνο την έγχυση οπών από την περιοχή οπών του ημιαγωγού στην περιοχή των ηλεκτρονίων, επεκτείνοντας στη συνέχεια όλα τα συμπεράσματα που έγιναν στην αντίθετη διαδικασία έγχυσης ηλεκτρονίων στην περιοχή της οπής. Εάν εφαρμόζεται σε p-n-μετάβαση τάσης προς την κατεύθυνση μετάδοσης (Εικ. 3.13), τότε το ύψος του φραγμού δυναμικού θα μειωθεί και ένας ορισμένος αριθμός οπών θα μπορεί να εισχωρήσει σε n-περιοχή.

Εικ.3.13. Σχέδιο ροής συνεχούς ρεύματος μέσω της διασταύρωσης

Πριν από αυτές τις τρύπες n-η περιοχή ήταν ηλεκτρικά ουδέτερη, δηλ. θετικά και αρνητικά φορτία σε καθέναν από τους αρκετά μικρούς όγκους n-οι περιοχές αθροίζονται στο μηδέν.

τρύπες που εγχύθηκαν από R-περιοχές σε n-περιοχή, αντιπροσωπεύουν κάποιο θετικό διαστημικό φορτίο. Αυτό το φορτίο δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που διαδίδεται στον όγκο του ημιαγωγού και θέτει σε κίνηση τους κύριους φορείς φορτίου - ηλεκτρόνια. Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από τις οπές έλκει ηλεκτρόνια στις οπές, το αρνητικό διαστημικό φορτίο των οποίων πρέπει να αντισταθμίσει το θετικό διαστημικό φορτίο των οπών. Ωστόσο, η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων κοντά στο διαστημικό φορτίο των εγχυόμενων οπών θα οδηγήσει σε μείωση της συγκέντρωσής τους σε παρακείμενους όγκους, δηλ. στην παραβίαση της ηλεκτρικής ουδετερότητας και στην εμφάνιση διαστημικού φορτίου σε αυτούς τους όγκους.

Δεδομένου ότι καμία ανακατανομή των ελεύθερων φορτίων μέσα σε έναν ηλεκτρικά ουδέτερο ημιαγωγό δεν μπορεί να αντισταθμίσει το φορτίο χώρου των οπών, τότε για να αποκατασταθεί η κατάσταση ηλεκτρικής ουδετερότητας του ημιαγωγού, πρέπει να εισέλθει ένας επιπλέον αριθμός ηλεκτρονίων από την εξωτερική έξοδο, το συνολικό φορτίο που θα ισούται με το συνολικό φορτίο των εγχυόμενων οπών. Εφόσον ένα ηλεκτρόνιο και μια οπή έχουν φορτία ίσα σε μέγεθος και αντίθετα σε πρόσημο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εισέρχονται στο μεγαλύτερο μέρος του ημιαγωγού από τον εξωτερικό ακροδέκτη πρέπει να είναι ίσος με τον αριθμό των εγχυόμενων οπών.

Έτσι, ταυτόχρονα με την εμφάνιση του n-περιοχές ενός συγκεκριμένου αριθμού οπών που έχουν εγχυθεί - δευτερεύοντες φορείς μη ισορροπίας -εμφανίζεται ο ίδιος αριθμός ηλεκτρονίων οι κύριοι φορείς μη ισορροπίας.Τόσο αυτοί όσο και άλλοι φορείς είναι μη ισορροπημένοι, αφού δημιουργούν μια συγκέντρωση που διαφέρει από τη συγκέντρωση της θερμοδυναμικής ισορροπίας.

Η διαδικασία αντιστάθμισης του διαστημικού φορτίου των δευτερευόντων φορέων μη ισορροπίας από το φορτίο χώρου των κύριων φορέων μη ισορροπίας προχωρά εξαιρετικά γρήγορα. Ο χρόνος καθίζησης αυτής της διαδικασίας καθορίζεται από το χρόνο χαλάρωσης

και είναι για το γερμάνιο (ε = 16), του οποίου η ειδική αντίσταση είναι 10 Ωμ. εκ,περίπου 10-11 δευτ.Η καθιέρωση της διαδικασίας μπορεί επομένως να θεωρηθεί στιγμιαία.

Δεδομένου ότι η συγκέντρωση του φορέα είναι υψηλή απευθείας στη διασταύρωση, οι φορείς, λόγω της παρουσίας μιας βαθμίδας συγκέντρωσης, θα διαδοθούν βαθιά στον όγκο του ημιαγωγού προς την κατεύθυνση χαμηλότερων συγκεντρώσεων. Ταυτόχρονα, η συγκέντρωση των φορέων που δεν βρίσκονται σε ισορροπία θα μειωθεί λόγω του ανασυνδυασμού, έτσι ώστε η συνολική τιμή της συγκέντρωσης να τείνει στην τιμή ισορροπίας.

Εικ.3.14. Η καμπύλη κατανομής της συγκέντρωσης ελάσσονος μη ισορροπίας

φορείς (οπές) στην ηλεκτρονική περιοχή της διασταύρωσης pn

Εάν η συγκέντρωση μη ισορροπίας είναι μικρή σε σύγκριση με τη συγκέντρωση των κύριων φορέων ισορροπίας (χαμηλό επίπεδο έγχυσης), τότε η μείωση στη συγκέντρωση των φορέων μη ισορροπίας προς την κατεύθυνση από τη μετάβαση βαθιά στον ημιαγωγό θα συμβεί σύμφωνα με μια εκθετική νόμος (Εικ. 3.14):

(3.23)

μεγάλοχαρακτηρίζει τη μέση απόσταση στην οποία οι μεταφορείς έχουν χρόνο να διαχυθούν κατά τη διάρκεια της ζωής τους.

Σε ένα σημείο αρκετά μακριά από τη μετάβαση (x →¥ ) θα διατηρηθεί η συγκέντρωση ισορροπίας των φορέων φορτίου.

Σε χαμηλό επίπεδο έγχυσης, η συγκέντρωση των φορέων που δεν βρίσκονται σε ισορροπία n-η περιοχή κοντά στη διεπαφή θα εξαρτηθεί εκθετικά από το μέγεθος της τάσης που εφαρμόζεται στη διασταύρωση:

(3.24)

(στο U= 0; αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση των θετικών τιμών U).

Σημειώστε ότι η μεταβολή της τάσης στη διασταύρωση κατά Δ uθα οδηγήσει σε αύξηση της συγκέντρωσης των οπών μη ισορροπίας n-περιοχές, δηλ. σε αλλαγή υπεύθυνου. Η αλλαγή στο φορτίο που προκαλείται από μια αλλαγή στην τάση μπορεί να θεωρηθεί ως η δράση κάποιας χωρητικότητας. Αυτό το δοχείο ονομάζεται διάχυση , αφού εμφανίζεται λόγω αλλαγής της συνιστώσας διάχυσης του ρεύματος μέσω της διασταύρωσης.

Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι Η χωρητικότητα διάχυσης θα εκδηλωθεί σε ρεύματα προς τα εμπρός μέσω της διασταύρωσης ή σε χαμηλές αντίστροφες τάσεις, όταν το ρεύμα διάχυσης δεν μπορεί να παραμεληθεί σε σύγκριση με το ρεύμα αγωγιμότητας.

Αντιπροσωπεύουμε την ικανότητα διάχυσης ως αλλαγή στο φορτίο Δ Q, που σχετίζεται με την αλλαγή τάσης Δ που την προκάλεσε u:

και να υπολογίσετε την επίδραση του ρεύματος μέσω της διασταύρωσης στην χωρητικότητα διάχυσης.

Η συνολική χρέωση των μειοψηφικών φορέων μη ισορροπίας σε nΤο -domain μπορεί να ληφθεί με την ενσωμάτωση της έκφρασης (3.23).

Σε ένα ιδανικό αντίστροφο ρεύμα, ακόμη και με σχετικά μικρή αντίστροφη τάση, δεν εξαρτάται από την τιμή της τελευταίας. Ωστόσο, σε πραγματικές μελέτες, παρατηρείται μια μάλλον ισχυρή αύξηση του αντίστροφου ρεύματος με αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης και στις δομές πυριτίου, το αντίστροφο ρεύμα είναι 2-3 τάξεις μεγέθους υψηλότερο από το θερμικό. Αυτή η ασυμφωνία μεταξύ των πειραματικών και των θεωρητικών δεδομένων εξηγείται από την ερμητική δημιουργία φορέων φορτίου απευθείας στην περιοχή και την ύπαρξη ρευμάτων καναλιού και ρευμάτων διαρροής.

Τα ρεύματα καναλιών οφείλονται στην παρουσία επιφανειακών ενεργειακών καταστάσεων που κάμπτουν τις ενεργειακές ζώνες κοντά στην επιφάνεια και οδηγούν στην εμφάνιση αντίστροφων στρωμάτων. Αυτά τα στρώματα ονομάζονται κανάλια και τα ρεύματα που διαρρέουν τη μετάβαση μεταξύ του αντίστροφου στρώματος και της γειτονικής περιοχής ονομάζονται ρεύματα καναλιού.

Χωρητικότητες p-n-junction.

Μαζί με την ηλεκτρική αγωγιμότητα, η διασταύρωση έχει επίσης μια ορισμένη χωρητικότητα. Οι χωρητικές ιδιότητες οφείλονται στην παρουσία ηλεκτρικών φορτίων και στις δύο πλευρές του ορίου, τα οποία δημιουργούνται από ιόντα ακαθαρσίας, καθώς και από κινητούς φορείς φορτίου που βρίσκονται κοντά στο όριο.

Η χωρητικότητα χωρίζεται σε δύο συστατικά: φράγμα, που αντικατοπτρίζει την ανακατανομή των φορτίων στο , και διάχυση, που αντικατοπτρίζει την ανακατανομή των φορτίων κοντά στο . Στην εμπρόσθια πόλωση της διασταύρωσης, η χωρητικότητα διάχυσης εκδηλώνεται κυρίως, ενώ στην αντίστροφη πόλωση (τρόπος εξαγωγής), τα φορτία κοντά (στη βάση) αλλάζουν ελάχιστα και η χωρητικότητα φραγμού παίζει τον κύριο ρόλο.

Δεδομένου ότι η εξωτερική τάση επηρεάζει το πλάτος, την τιμή του φορτίου χώρου και τη συγκέντρωση των φορέων φόρτισης που εισάγονται, η χωρητικότητα εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη τάση και την πολικότητα της.

Η χωρητικότητα φραγμού οφείλεται στην παρουσία ιόντων ακαθαρσίας δότη και δέκτη στη διασταύρωση, τα οποία σχηματίζουν, όπως ήταν, δύο φορτισμένες πλάκες πυκνωτών. Με μια αλλαγή στην τάση μπλοκαρίσματος, για παράδειγμα, μια αύξηση, το πλάτος της διασταύρωσης αυξάνεται και μέρος των φορέων κινητής φόρτισης (ηλεκτρόνια στην περιοχή και τρύπες στην περιοχή) αναρροφάται από το ηλεκτρικό πεδίο από τα στρώματα που γειτνιάζουν με η διασταύρωση. Η κίνηση αυτών των φορέων φορτίου προκαλεί ρεύμα στο κύκλωμα

πού είναι η αλλαγή στο φορτίο του εξαντλημένου στρώματος διασταύρωσης. Αυτό το ρεύμα γίνεται ίσο με μηδέν στο τέλος της μεταβατικής διαδικασίας αλλαγής των ορίων της μετάβασης.

Η τιμή για μια απότομη μετάβαση μπορεί να προσδιοριστεί από την κατά προσέγγιση έκφραση

πού είναι το εμβαδόν και το πάχος στο .

Με αύξηση της εφαρμοζόμενης αντίστροφης τάσης U, η χωρητικότητα φραγμού μειώνεται λόγω της αύξησης του πάχους της μετάβασης (Εικ. 2.10, α).

Η εξάρτηση ονομάζεται χαρακτηριστικό χωρητικότητας-τάσης.

Όταν μια άμεση τάση συνδέεται στη διασταύρωση p-n, η χωρητικότητα φραγμού αυξάνεται λόγω μείωσης του . Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, η αύξηση των φορτίων λόγω της έγχυσης παίζει σημαντικό ρόλο και η χωρητικότητα της διασταύρωσης καθορίζεται κυρίως από τη συνιστώσα διάχυσης της χωρητικότητας.

Η χωρητικότητα διάχυσης αντικατοπτρίζει τη φυσική διαδικασία αλλαγής της συγκέντρωσης των φορέων κινητού φορτίου που συσσωρεύονται σε περιοχές λόγω αλλαγών στη συγκέντρωση των φορέων που εγχέονται.

Η επίδραση της ικανότητας διάχυσης μπορεί να εξηγηθεί από το ακόλουθο παράδειγμα.

Αφήστε ένα ρεύμα προς τα εμπρός να διαρρέει λόγω της έγχυσης οπών στην περιοχή της βάσης. Το φορτίο που συσσωρεύεται στη βάση δημιουργείται από μειοψηφικούς φορείς, ανάλογους με αυτό το ρεύμα, και το φορτίο των πλειοψηφικών φορέων, που διασφαλίζει την ηλεκτροουδετερότητα του ημιαγωγού. Με μια ταχεία αλλαγή στην πολικότητα της εφαρμοζόμενης τάσης, οι εγχυόμενες οπές δεν έχουν χρόνο να ανασυνδυαστούν και, υπό τη δράση της αντίστροφης τάσης, επιστρέφουν στην περιοχή εκπομπού. Οι κύριοι φορείς φόρτισης κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση και φεύγουν κατά μήκος της ράγας ισχύος. Σε αυτή την περίπτωση, το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται πολύ. Σταδιακά, το επιπλέον φορτίο των οπών στη βάση εξαφανίζεται (διαλύεται) λόγω του ανασυνδυασμού τους με ηλεκτρόνια και επιστρέφει στην -περιοχή. Το αντίστροφο ρεύμα μειώνεται σε μια στατική τιμή (Εικ. 2.10. β).

Ρύζι. 2.10. Χαρακτηριστικά χωρητικότητας-τάσης (α) και αλλαγή στο ρεύμα με αλλαγή στην πολικότητα τάσης (o): 1 - ομαλή μετάβαση. 2 - απότομη μετάβαση

Η διασταύρωση συμπεριφέρεται σαν χωρητικότητα και το φορτίο της χωρητικότητας διάχυσης είναι ανάλογο με το προς τα εμπρός ρεύμα που διέρρεε προηγουμένως μέσω της διασταύρωσης.