Diyotun difüzyonu ve bariyer kapasitansı. Yarı iletkenlerin özellikleri. difüzyon kapasitesi. p-n-bağlantısının volt-amper karakteristiği

Yeni bir taşıyıcı dağılımı hemen kurulmadığından, bir yarı iletken diyot, akım veya voltajdaki yeterince hızlı değişikliklere göre inerttir. Bilindiği gibi, harici bir voltaj bağlantının genişliğini ve dolayısıyla bağlantıdaki uzay yüklerinin büyüklüğünü değiştirir. Ek olarak, enjeksiyon veya ekstraksiyon sırasında taban bölgesindeki yükler değişir (yüklerin emitördeki rolü önemsizdir). Bu nedenle diyot, p-n eklemine paralel bağlanmış sayılabilecek bir kapasitansa sahiptir. Bu kapasite iki bileşene ayrılabilir: bariyer kapasitesi geçişte ücretlerin yeniden dağıtımını yansıtan ve difüzyon kapasitesi, tabandaki ücretlerin yeniden dağıtımını yansıtan. Böyle bir bölünme genellikle koşulludur, ancak her iki kapasitansın oranı, uygulanan voltajın farklı polariteleri için farklı olduğu için pratikte uygundur. İleri voltaj ile, ana rol, tabandaki aşırı yükler ve buna bağlı olarak difüzyon kapasitansı tarafından oynanır. Gerilim tersine çevrildiğinde, tabandaki fazla yükler küçüktür ve bariyer kapasitansı ana rolü oynar. Her iki kapasitansın da doğrusal olmadığını önceden not ediyoruz: difüzyon kapasitansı ileri akıma bağlıdır ve bariyer kapasitansı ters voltaja bağlıdır.

Geçişi asimetrik tip n + -p olarak kabul ederek bariyer kapasitansının değerini belirleyelim. Daha sonra, p-tipi tabandaki negatif yükün kapsamı, geçişin tüm genişliğine eşit olarak kabul edilebilir: . Bu yükün modülünü yazalım:

burada N, bazdaki safsızlık konsantrasyonudur; S - geçiş alanı. Yayıcı katmanda aynı (ancak pozitif) yük olacaktır.

Bu yüklerin, kapasitansı şu şekilde tanımlanabilecek hayali bir kapasitörün plakaları üzerinde bulunduğunu hayal edin.

Ters anahtarlama sırasında geçiş genişliği ifadesini dikkate alarak ve Q yükünü voltaja göre farklılaştırarak, sonunda şunu elde ederiz:

(7.10)

nerede ve sırasıyla, denge durumunda potansiyel bariyerin genişliği ve yüksekliğidir.

Diyotun bir kapasitansı olduğunu akılda tutarak, alternatif akım için tam eşdeğer devresini çizebilirsiniz (Şekil 3.10a).

Bu devredeki direnç R 0, n- ve p- bölgelerinin toplam nispeten küçük direncini ve bu bölgelerin uçlarla temaslarını temsil eder. Doğrudan bağlantılı doğrusal olmayan direnç R nl, R pr'ye eşittir, yani. küçüktür ve ters voltajda R nl = R arr, yani. çok büyük. Çeşitli frekans durumlarında verilen eşdeğer devre basitleştirilebilir. Düşük frekanslarda kapasitans çok büyüktür ve kapasitans ihmal edilebilir. Ardından, ileri bir önyargı ile, eşdeğer devrede yalnızca R 0 ve R pr dirençleri kalır (Şekil 7.5b),

Şekil7.5b. 7.5c.

ve ters voltajla - R 0'dan beri sadece R arr direnci<< R обр (рис.7.5в).

Yüksek frekanslarda, kapasitanslar nispeten daha az dirence sahiptir. Bu nedenle, ileri bir voltajla, Şekil 7.5d'ye göre bir devre elde edilir (frekans çok yüksek değilse, C diff'in pratikte hiçbir etkisi yoktur),

Şekil7.5d. 7.5e.

ve tersi durumda, R arr ve C b kalır (Şekil 7.5e).

Diyotun terminalleri arasında, diyotu çok yüksek frekanslarda önemli ölçüde şöntleyebilen C kapasitansının hala olduğu akılda tutulmalıdır. Kabloların endüktansı mikrodalgada da görünebilir.

Diyotların sınıflandırılması.

Diyotların sınıflandırılması esas olarak gerçekleştirilir:

1) elektrik bağlantıları ve diyot yapıları oluşturmak için teknolojik yöntemler hakkında

2) diyotların işlevine göre.

İmalat teknolojisine göre diyotlar noktasal ve düzlemsel olabilir. Nokta diyotların temel özellikleri: p-n-bağlantı alanı küçüktür, küçük bir kapasitansa (1pF'den az), düşük akımlara (1 veya onlarca mA'dan fazla değil) sahiptirler. Mikrodalgaya kadar yüksek frekanslarda kullanılır. Teknoloji: Bir alıcı kirlilik ile kaplanmış bir tungsten filamenti (germanyum - indiyum için, silikon - alüminyum için), büyük bir akım darbesi kullanılarak n-tipi germanyum veya n-tipi silikon plakasına kaynaklanır.

Düzlemsel diyotlar: üretim teknolojisi, kaynaştırma veya difüzyon olabilir. Eritme sırasında, alüminyum gibi metal alıcı malzemeden bir tablet, yarı iletken silikon ise, genellikle n-tipi bir yarı iletken levhanın temizlenmiş yüzeyine yerleştirilir. 600 ... 700 0 C'ye ısıtıldığında, erime noktası çok daha yüksek olan bitişik silikon tabakasını erir ve çözer. Plakanın yüzeyine yakın bir yerde soğuduktan sonra, alüminyum ile doyurulmuş bir p+-tipi silikon tabakası (p-tipi emitör, n-tipi taban). Difüzyon: safsızlık atomları genellikle gazlı bir ortamdan yüzeyinden yüksek sıcaklıkta (yaklaşık 1000 0) bir yarı iletken plakaya girer ve difüzyon nedeniyle derinlemesine yayılır, yani. termal hareket. İşlem sıcaklık ve süresinin yüksek hassasiyetle korunduğu özel difüzyon fırınlarında gerçekleştirilir. Süre ve sıcaklık ne kadar uzun olursa, kirlilikler plakanın derinliğine o kadar fazla nüfuz eder. Difüzyon pn bağlantısı düz çıkıyor ve alanı geniş ve orijinal plakanın alanına eşit, çalışma akımları onlarca amper değerine ulaşıyor.

Yapılan fonksiyona göre doğrultucu, darbe, dönüştürücü, anahtarlama, dedektör diyotlar, zener diyotlar, varikaplar vb. ayırt edilir. Ayrı diyot sınıfları, çalışma frekans aralığına (düşük frekans, yüksek frekans, mikrodalga diyotlar, optik aralığın diyotları) bağlı olarak alt sınıflara ayrılabilir. Diyotlar ayrıca yarı iletken malzeme ile ayırt edilir: en yaygın olarak silikon kullanılır ve daha önce yaygın olan germanyumun yerini alır. Silikon diyotların maksimum çalışma sıcaklığı (Si - 125 ... 150 0 C, Ge - 70 ... 80 0 C) ve birkaç büyüklük sırası daha düşük ters akım vardır. Parametrelerde silikon diyotlardan üstün olan galyum arsenit diyotlarının (özellikle metal-yarı iletken olanların) sayısı sürekli artmaktadır.

Bazı diyot türlerini ve ana parametrelerini düşünün.

1.Doğrultucu düşük frekanslı diyotlar. AC güç kaynaklarında kullanılırlar.

Diyotun ana elektrik parametreleri, belirli bir I ex.avg'deki U ex.avg değerleri ve ayrıca ters voltajın belirli bir genlik (maksimum) değerindeki I arr.avg değerleridir (U arr.max) dönem için ileri voltaj ve ters akım değerleri). En yaygın olan pn bağlantılı silikon diyotlar için U ave.av, T \u003d 20 0 C'de 1..1.5V'u geçmez. Artan sıcaklıkla bu değer azalır ve TKN, ileri değerine bağlıdır. akım; artan akımla azalır ve yüksek akımda pozitif bile olabilir. Silikon diyotların T = 20 0 C'deki ters akımı, kural olarak, μA'nın onda birini geçmez ve artan sıcaklıkla artar (iki katına çıkma sıcaklığı yaklaşık 10 0 C'dir). T=20 0 C'de ters akım ihmal edilebilir. Silikon diyotların kırılma voltajı yüzlerce volttur ve artan sıcaklıkla artar.

Metal-yarı iletken bağlantılı silikon diyotların ileri voltajı, p-n bağlantılı diyotlardan yaklaşık iki kat daha azdır. Ve ters akım biraz daha büyüktür ve sıcaklığa daha güçlü bir şekilde bağlıdır, her 6..8 0 С için iki katına çıkar.

Diyot tipini seçerken izin verilen maksimum doğrultulmuş akım, ters voltaj ve sıcaklık dikkate alınır. İzin verilen akıma bağlı olarak, küçük diyotlar (<300мА), средней (<1А) и большой (>10A) güç. Sınırlayıcı ters voltaj, geçişin bozulmasıyla sınırlıdır ve 50 ila 1500V aralığındadır. İzin verilen ters voltajı arttırmak için diyotlar seri olarak bağlanır. Seri bağlı, tek bir teknolojik döngüde üretilen ve ortak bir mahfaza içine alınmış birkaç diyot, doğrultucu kutup olarak adlandırılır. Silikon diyotların maksimum çalışma sıcaklığı 125..50 0 C'ye ulaşır ve ters akımın büyümesi ile sınırlıdır.

Küçük bir p-n bağlantı alanına (1 mm 2'den az) sahip düşük güçlü diyotlar, kaynaştırma yoluyla, geniş alana sahip yüksek güçlü diyotlar - difüzyonla oluşturulur. Bir p-n bağlantıya sahip güç diyotları, genellikle 1 kHz'den fazla olmayan frekanslara kadar ve metal-yarı iletken bağlantıya sahip diyotlar - yüzlerce kHz frekansa kadar çalışabilir.

Germanyum diyotlar, daha küçük bant aralığı nedeniyle silikon diyotlardan yaklaşık 1,5..2 kat daha az (genellikle 0,5 V'den fazla olmayan) bir ileri voltaja sahiptir. Esas olarak taban direnci boyunca voltaj düşüşü ile belirlenir, bu durumda TC U pr >0. T=20 0 C'deki ters akım, silikon diyotlardan 2.3 kat daha büyüktür ve sıcaklığa daha fazla bağlıdır. Her 8 0 C için iki katına çıkar, bununla bağlantılı olarak maksimum çalışma sıcaklığı çok daha düşüktür (70 ... 80 0 C).

Termal bozulma mekanizması, kısa süreli aşırı yüklenmelerde bile germanyum diyotların arızalanmasına neden olur. Bu önemli bir dezavantajdır. Arıza gerilimi artan sıcaklıkla azalır.

Küçük bağlantı alanı nedeniyle, yüksek frekanslı diyotların izin verilen maksimum doğru akımları küçüktür (genellikle 100mA'dan az), arıza voltajları kural olarak 100V'u geçmez.

3. darbe diyotları. Darbeli modda çalışmak üzere tasarlanmıştır, yani. darbe sinyallerinin, anahtar ve dijital devrelerin oluşumu ve dönüştürülmesi için cihazlarda.

Darbeli diyotların en önemli parametresi ters direncin toparlanma süresidir. Diyotun belirli bir ileri akım I CR ile bir durumdan belirli bir ters voltaj U arr olan bir duruma geçiş sürecini karakterize eder. Şekil 7.6, diyottan geçen voltaj ve akımın zamanlama diyagramlarını gösterir.

Geri kazanım süresi t, diyot üzerindeki voltaj değişiminin t 1 anından, ters voltaj 0.1 pr. moment t 1) değerine ulaştığında, t 2 anına kadar ve ayrıca yeniden şarj etme işlemi olarak sayılır. bariyer kapasitansı. Anahtarlama diyotlarında kurtarma süresi mümkün olduğunca kısa olmalıdır; p-n bağlantılı silikon diyotların altınla katkılandığı tabandaki azınlık taşıyıcılarının ömrünü azaltmak gerekir. Ancak silikon diyotlar için 1 ns'den daha az bir geri kazanım süresi elde etmek mümkün değildir. Galyum arsenitte kullanım ömrü silikondan çok daha kısadır ve p-n bağlantılı diyotlarda 0,1 ns mertebesinde gerilim elde etmek mümkündür. Bariyer kapasitansındaki azalma, geçiş alanının azaltılmasıyla sağlanır. En kısa iyileşme süresi (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.

Tüm darbe diyotları için kapasitans, ölçümde kullanılan AC sinyalinin belirli bir ters voltajı ve frekansında belirtilir. Minimum kapasitans değerleri 0,1…1 pF'dir.

Darbeli diyotların spesifik parametreleri, kuruluş sürecindeki maksimum ileri voltajın ileri akıma oranına eşit olan maksimum darbe ters akımını I rev.i.max ve maksimum darbe direncini r pr.i.max içerir. Bu miktarların değerlerinin mümkün olduğu kadar küçük olması arzu edilir.

Darbeli diyotlar için, devrelerdeki akım ve voltajın kararlı durum değerlerini belirleyen statik parametreler de önemlidir. Bunlar, belirli bir ileri akımda ileri voltajı ve belirli bir geri voltajda ters akımı içerir.

4. Zener diyotları. Zener diyot, devrelerdeki voltajları stabilize etmek için tasarlanmış yarı iletken bir diyottur. Zener diyotlar güç kaynaklarında, sınırlayıcılarda, seviye kıskaçlarında, voltaj referanslarında ve diğer cihazlarda kullanılır. Zener diyotların çalışma prensibi, p-n ekleminde çığ veya tünel kırma kullanımına dayanmaktadır. Şekil 7.7, ters voltajlı bir zener diyotun tipik bir volt-amper karakteristiğini gösterir.

Arıza bölümünde - CVC'nin çalışma bölümünde, voltaj akıma çok zayıf bir şekilde bağlıdır. Çalışma akımı I st.min minimum değeri, I–V karakteristiğinin "dikey" bölümünün başlangıcına karşılık gelir, burada küçük bir diferansiyel direnç r diff =ΔU/ΔI elde edilir. Maksimum akım I st.max, izin verilen güç kaybı ile belirlenir. Ana parametre, pratik olarak arıza voltajına eşit olan stabilizasyon voltajı U st, çalışma alanındaki I st akımının belirli bir değerine ayarlanmıştır.

Zener diyot anahtarlama devresi Şekil 7.8'de gösterilmiştir.

Burada R ogr bir sınırlayıcı dirençtir; R n - yük direnci, U n \u003d U st. Sınırlama direncinden akan akım I \u003d (EU st) / R ogr'dir ve zener diyottan geçen akım I st \u003d II n, burada I n \u003d U st / R n, çalışma noktasına karşılık gelir c Şekil 3.11. Güç kaynağı voltajı nominal değerden bir miktar saparsa, zener diyottan geçen akım Δ I st = ΔE) / r diff'deki R limiti kadar değişir<<(R огр ││ R н) и рабочая точка перемещается в пределах участка C ’ C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину

(7.11)

Yük akımı değişirse ve bu nedenle, Δ I n değerindeki yük, ardından zener diyottan geçen akım ve Δ U \u003d - r diff ΔI n yaklaşık olarak aynı şekilde değişecektir. “-” işareti, yük akımı arttıkça zener diyot akımının azaldığı anlamına gelir. İyi bir stabilizasyon elde etmek için diferansiyel direnç mümkün olduğunca düşük olmalıdır.

pn bağlantısının arıza voltajı, baz safsızlıklarının konsantrasyonundaki artışla azalır. Çeşitli tipteki cihazlar için U st 3 ila 200V arasında olabilir.

Sıcaklığın etkisi, TKN'nin stabilizasyon voltajının sıcaklık katsayısı ile tahmin edilir; bu, voltajdaki değişikliği U st sıcaklıkta bir derecelik bir değişiklikle karakterize eder, yani.

(7.12)

Voltaj sıcaklık katsayısı 10 -5 ile 10 -3 K -1 arasında olabilir. U makalesinin değeri ve TKN'nin işareti, ana yarı iletkenin direncine bağlıdır. 7V'a kadar voltajlar için Zener diyotları, düşük dirençli silikondan yapılmıştır, yani. yüksek konsantrasyonda safsızlıklar ile. Bu zener diyotlarda p-n eklemi küçük bir kalınlığa sahiptir, içinde yüksek yoğunluklu bir alan hareket eder ve bozulma esas olarak tünel etkisinden dolayı meydana gelir. Bu durumda, TKN negatif çıkıyor. Daha düşük safsızlık konsantrasyonuna sahip silikon kullanılırsa, p-n bağlantısı daha kalın olacaktır. Bozulması daha yüksek voltajlarda meydana gelir ve bir çığdır. Bu tür zener diyotları, pozitif bir TKN ile karakterize edilir.

Yüksek voltajlı zener diyotların sıcaklık stabilizasyon katsayısı, termal stabilizasyon kullanılarak 1 ... 2 büyüklük sırası azaltılabilir. Bunu yapmak için, zener diyotun arkadan bağlı p-n bağlantısı, ileri yönde bağlanan bir veya iki p-n bağlantısı ile seri olarak bağlanır. P-n bağlantısındaki ileri voltajın artan sıcaklıkla azaldığı ve bu da arıza voltajındaki artışı telafi ettiği bilinmektedir. Bu tür termal olarak dengelenmiş zener diyotlara hassasiyet denir. Referans voltaj kaynakları olarak kullanılırlar.

Çoğu zaman, zener diyotu, kaynak voltajı kararsız olduğunda ve yük direnci Rn sabit olduğunda böyle bir modda çalışır. Bu durumda doğru stabilizasyon modunu kurmak ve sürdürmek için direnç R limitinin belirli bir değeri olmalıdır. Genellikle R ogr, zener diyotun özelliklerine sahip orta nokta için hesaplanır. E voltajı E min'den E max'a değişirse, R limiti aşağıdaki formül kullanılarak bulunabilir.

(7.13)

nerede E cf \u003d 0,5 (E min + E max) - kaynağın ortalama voltajı;

Ben cf \u003d 0,5 (I min + I max) - zener diyotunun ortalama akımı;

I n \u003d U st / R n - yük akımı.

E voltajı bir yönde değişmeye başlarsa, zener diyotun akımı değişecek, ancak üzerindeki ve dolayısıyla yük üzerindeki voltaj neredeyse sabit olacaktır. Kaynak gerilimindeki tüm değişikliklerin sınırlayıcı direnç tarafından absorbe edilmesi gerektiğinden, bu voltajdaki E max - E min değerine eşit en büyük değişiklik, stabilizasyonun hala korunduğu akımdaki olası en büyük değişikliğe karşılık gelmelidir, yani. Ben maks - ben min. E'nin değeri ΔE kadar değişirse, stabilizasyon ancak koşul

İkinci olası stabilizasyon modu, E=const olduğunda kullanılır ve R n, R n min ile R n max arasında değişir. Böyle bir rejim için, formüle göre akımların ortalama değerlerinden R limiti belirlenebilir.

(7.15)

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

Daha yüksek kararlı voltajlar elde etmek için, aynı akımlar için tasarlanmış bir seri zener diyot bağlantısı kullanılır.

5. Varikaplar. Diyotlara, çalışma prensibi, p-n bağlantısının bariyer kapasitansının ters voltaj üzerindeki bağımlılığına dayanan varikaplar denir. Böylece. Varicaps, mekanik olarak değil elektrikle kontrol edilen değişken kapasiteli kapasitörlerdir, yani. ters voltaj değişimi. Bir salınım devresinin frekans ayarlama devrelerinde, frekans bölme ve çarpma, frekans modülasyonu, kontrollü faz kaydırıcılar, vb. elektriksel olarak kontrol edilen kapasitanslı elemanlar olarak kullanılırlar.

Salınım devresinin frekansını ayarlamak için bir varikası açmak için en basit devre, Şekil 7.9'da gösterilmektedir.

Kontrol voltajı U, varikap VD'ye, voltaj kaynağı tarafından varikap ve salınım devresinin şöntünü azaltan yüksek dirençli bir direnç R aracılığıyla uygulanır. Endüktans elemanı üzerinden doğru akımı ortadan kaldırmak için salınım devresi, yüksek kapasiteli bir ayırma kapasitörü Cp aracılığıyla varikapa paralel olarak bağlanır. Ters voltajın büyüklüğünü ve dolayısıyla varikap kapasitansını ve salınım devresinin toplam kapasitansını değiştirerek, ikincisinin rezonans frekansı değiştirilir.

Varikap üretimi için ana yarı iletken malzeme silikondur, daha düşük baz direnci sağlayan galyum arsenit de kullanılır.

Değişkenin elektriksel parametreleri, belirli bir frekansta ölçülen nominal, maksimum ve minimum voltajlardaki kapasitansı, kapasitans örtüşme katsayısını, kalite faktörünü, frekans aralığını, kapasitansın sıcaklık katsayılarını ve kalite faktörünü içerir. Farklı varikap türlerinde, nominal kapasitans birkaç birimden birkaç yüz pikofarada kadar değişebilir.

Sayfa 7

Dersler Teknik elektronik

ders 1

GİRİŞ

Gerçek bilgi toplumu (nüfusun %50'sinden fazlasının bilginin toplanması, depolanması, analizi, yeniden dağıtımı, sunumu ve dağıtımıyla uğraşan bir toplum) 20. yüzyılın sonunda ortaya çıktı. inci yüzyılda, yarı iletken cihazların (diyotlar, transistörler) gelişmesi sayesinde önce ABD'de ve daha sonra gezegenin diğer bölgelerinde 1 ) ve entegre devrelerde (IC'ler) müteakip minyatürleştirme. İnternetin, yazılım ürünlerinin, filmlerin ve medyanın yaygınlığından da anlaşılacağı gibi, böyle bir toplumda ana tüketim malı bilgidir.

Yarı iletken cihazlar, esas olarak silikon, germanyum, galyum arsenit gibi yarı iletken malzemelerde oluşturulur ve silikon cihazlar tüm yarı iletken cihazların ~% 97'sini oluşturur.

1. Yarı iletkenlerin özellikleri

1.1 Genel

yarı iletken - Spesifik iletkenliği ile iletkenler ve dielektrikler arasında bir ara konum işgal eden ve iletkenlerden, kirlilik konsantrasyonuna, sıcaklığa ve çeşitli radyasyon türlerine maruz kalmaya güçlü bir şekilde bağlı olarak iletkenlerden farklı olan bir malzeme. Bir yarı iletkenin ana özelliği, artırmak artan sıcaklık ile elektriksel iletkenlik.

Bulunan son mülk XIX Yüzyılda, elektronların, katı bir cismin kristal kafesi boyunca bu tür parçacıkların bir elektrik akımı (akımı) şeklinde bir elektrik yükü taşıyan yüklü parçacıklar olarak temsil edildiği, kendi direncine maruz kaldığı klasik fizik açısından anlaşılmazdı. kafes atomlarının salınan iskeleti tarafından hareket. Ayrıca, kristal kafesin atomlarının artan salınımı nedeniyle direncin artan sıcaklıkla artması gerekir ve bunun tersi bir yarı iletkende olduğu gibi değildir.

Bununla birlikte, 1926'da kuantum mekaniğinin mikro dünyayı (atomlar ve kombinasyonları) tanımlamak için yeni bir teori olarak resmileştirilmesiyle, durum netleşmeye başladı. Kuantum mekaniğine göre, bir atomdaki bir elektron dalga özelliklerine sahipti, davranışı dalga denklemi (Schrödinger denklemi) ile tanımlandı ve enerjisi, atom ile Coulomb etkileşimi tarafından "elektron dalgası"na dayatılan sınır koşullarına bağlıydı. çekirdek. Bu durum, bir müzik aletinin klavyesine sabitlenmiş bir telin belli bir gerilimle titreşmesine benzer. Bu durumda, ip, yalnızca gerilim kuvvetine (sınır koşulları) bağlı olan belirli bir salınım frekansına (ton, ton) sahiptir. Kurulu sistemde diğer frekanslar (ve dolayısıyla enerjiler) gerçekleştirilemez. Bir atom için bu, atomdaki elektronun ve buna bağlı olarak atomun kendisinin katı bir izin verilen enerjiler (durumlar) ve yasak enerjiler spektrumuna sahip olduğu anlamına gelir. Bu tür atomlar bir katının kafesinde birleştirilirse, o zaman, atomların tipine ve kafes tipine bağlı olarak, ortaya çıkan küme, elektronlar tarafından elde edilemeyen, hatta ondan koparılamayan yasak enerji durumlarının varlığı ile karakterize edilebilir. kafesin belirli bir atomu. Başka bir deyişle, bir elektronun bir elektrik alanında hareket etmesi için bir atomdan kopması ve bant aralığına eşit bir enerji bariyerini aşması gerekir. Yalıtkanlarda, böyle bir bölge çok büyüktür (onlarca elektron volt), metallerde böyle bir bölge tamamen yoktur.

Yarı iletkenler, bant aralığı birkaç elektron volt (eV) düzeyinde olan maddelerdir.Örneğin, elmas geniş aralıklı bir yarı iletken olarak sınıflandırılabilirken, indiyum arsenit dar aralıklı olarak sınıflandırılabilir. Yarı iletkenler birçok kimyasal element (germanyum, silikon, selenyum, tellür, arsenik ve diğerleri), çok sayıda alaşım ve kimyasal bileşik (galyum arsenit, vb.) içerir. Çevremizdeki dünyanın hemen hemen tüm inorganik maddeleri yarı iletkendir. Doğada en yaygın yarı iletken, yer kabuğunun neredeyse %30'unu oluşturan silikondur.

Yarı iletkenlerin iletkenliği büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır. Mutlak sıfırın sıcaklığına yakın, yarı iletkenler dielektrik özelliklerine sahiptir. Sıcaklık yükseldiğinde, bazı atomlar (atomlardaki elektronlar) kafese bağlanma enerjisini aşan enerji alabilir ve enerji bariyerini aşan yük taşıyıcıları kafes içinde hareket ederek belirli bir iletkenlik yaratabilir. Sıcaklık arttıkça bu tür taşıyıcıların sayısı artar ve iletkenlik de artar.dahası, serbest taşıyıcıların konsantrasyonunun sıcaklığa bağımlılığı üsteldir., ve üs bant aralığıdır. Böylece kuantum mekaniği, yarı iletkenlerin özelliklerini açıkladı.

Bant aralığı, iletim bandı E arasındaki enerji koordinatlarında bulunur. 2 sn (elektronların hareket edebildiği enerji bölgesi) ve değerlik bandı E v (tüm elektronların kafesin atomlarına bağlı olduğu ve kafes boyunca hareket edemediği enerji bölgesi) ve E arasındaki enerji farkı ile belirlenir. c ve E v , , yani. E g = E c - E v , Şekil 1.1'de gösterildiği gibi, E değerindeki bir artışla birlikte olduğu açıktır. G atomlarla ilişkili elektronların sayısı, ancak potansiyel E engelini aşmak için enerji alabilen g azalır.

Silikon değeri içinÖrneğin oda sıcaklığında 1,1 eV, germanyum için - 0,6 eV, galyum arsenit için ( GaAs) - 1.5 "eV.

Elektron ile çekirdek arasındaki bağ koptuğunda, atomun elektron kabuğunda boş bir boşluk oluşur. Bu, bir elektronun başka bir atomdan boş alana sahip bir atoma transferine neden olur. Elektronun geçtiği atom, başka bir atomdan başka bir elektrona girer, vb. Bu süreç atomların kovalent bağları tarafından belirlenir. Böylece, atomun kendisini hareket ettirmeden pozitif bir yükün hareketi vardır. Bu koşullu pozitif yüke delik denir. Değerlik bandındaki elektron setinin durumundaki değişimin, pozitif bir yükün bir miktar etkin kütle ile hareketi olarak gösterilebileceği söylenebilir. m s.

İletim bandındaki serbest elektron kümesi, kristalin dış yüzleri tarafından oluşturulan bir kap içinde bulunan bir elektron gazına benzetilebilir. Böyle bir kaptaki elektronların özellikleri, birçok hareketsiz atomun - kafes düğümlerinin böyle bir "damarında" bulunması nedeniyle, boş uzaydaki elektronların özelliklerinden farklıdır - vakum. Bu farklılıklardan biri, bir "kap" içindeki elektronların hareketinin dinamiğinin (bir kuvvetin etkisi altındaki taşıyıcıların hareketi - bir elektrik alanı), vakumdaki elektronların hareketinden farklı olarak farklı bir kütle ile karakterize edilmesidir. , ve etkin kütle olarak adlandırılır Ben vakumdaki bir elektronun kütlesinden daha az olan.

Tüm kristalin yapıldığı atomların iyonlaşması sürecinde serbest elektronların ve "deliklerin" ortaya çıktığı yarı iletkenlere yarı iletkenler denir. sahip olmak iletkenlik. İçsel iletkenliğe sahip yarı iletkenlerde, serbest elektronların konsantrasyonu "deliklerin" konsantrasyonuna eşittir. Bu tür yarı iletkenler, yarı iletken cihazların imalatı için çok nadiren kullanılır.

Kristaller genellikle yarı iletken cihazlar oluşturmak için kullanılır. kirlilik iletkenlik. Bu tür kristaller, üç değerlikli veya beş değerlikli bir kimyasal elementin atomları ile safsızlıkların katılmasıyla yapılır. Beş değerlikli bir yarı iletkenin (örneğin arsenik) bir safsızlığı, dört değerli bir yarı iletkene (örneğin silikon) eklenir. Etkileşim sürecinde, her bir safsızlık atomu, silikon atomları ile kovalent bir bağa girer. Ancak doymuş değerlik bağlarında arsenik atomunun beşinci elektronuna yer yoktur ve uzak elektron kabuğuna geçer. Orada, bir elektronu bir atomdan ayırmak için daha az miktarda enerji gerekir. Elektron kopar ve serbest kalır. Bu durumda yük transferi bir delik değil, bir elektron tarafından gerçekleştirilir, yani bu tip yarı iletken metaller gibi elektrik akımını iletir. Yarı iletkenlere eklenen ve bunun sonucunda n tipi yarı iletkenlere dönüşen safsızlıklara denir. bağışçı . Dört değerlikli bir yarı iletkene az miktarda üç değerlikli bir elementin (örneğin boron) atomu eklenirse. Her safsızlık atomu, üç komşu silikon atomuyla kovalent bir bağ kurar. Dördüncü silikon atomu ile bir bağ kurmak için, bor atomunun değerlik elektronu yoktur, bu nedenle komşu silikon atomları arasındaki kovalent bağdan bir değerlik elektronu yakalar ve negatif yüklü bir iyon haline gelir, bunun sonucunda bir delik oluşur. . Bu durumda eklenen safsızlıklara denir akseptör

Herhangi bir safsızlık atomu silikon kafes içinde yabancıdır ve kafesin düzenli yapısındaki bir kusurdur ve bu, bant aralığında izin verilen bir enerji durumu olarak kendini gösterir ve bir safsızlık seviyesi olarak tanımlanır. Verici seviye, bir elektronla dolduğunda nötr, boş olduğunda pozitif olarak yüklenir (katışıklık atomu iyonize olur). Alıcı seviyesi boşken nötr, elektronla doluyken negatif yüklüdür.

Bir verici seviyeden bir elektronun serbest bırakılması veya bir alıcı seviye tarafından bir elektronun yakalanması, bir miktar ek enerji gerektirir, bu nedenle, kural olarak, karşılık gelen atomlar, esas olarak bu türdeki serbest taşıyıcıların konsantrasyonunu belirleyen oda sıcaklığında iyonize edilir. bir yarı iletken. Bu durum verici seviyesinin E iletim bandının kenarına çok yakın olduğunu gösterir.İle ve ayrıca, alıcı seviyesinin E değerlik bandının kenarına yakın konumu v . Bu durumda, "küçük" seviyelerden söz edilir. Aktivasyon enerjileri, E değerlik bandındaki elektronların aktivasyon enerjisinden çok daha azdır. G.

Çok sayıda kirlilik merkezi varsa ve hepsi oda sıcaklığında iyonize edilmişse, bu tür bir yarı iletkenin neredeyse her sıcaklıkta elektriksel iletkenliği, "safsızlık" olanlardan daha az olduğu için pratik olarak içsel taşıyıcıların üretimine bağlı değildir. Böyle bir yarı iletken metal gibi davranır (elektriksel iletkenlik anlamında) ve bunun hakkında konuşurlar.dejenere yarı iletken.

2. ders

yarı iletken özellikleri

2.1 Taşıyıcı konsantrasyonu

İzin verilen bölgeler çok sayıda seviye içerir (10 22 - 10 23) cm -3 her biri elektron içerebilir. İzin verilen banttaki gerçek elektron sayısı, verici konsantrasyonuna ve sıcaklığa bağlıdır. Bir yarı iletkendeki gerçek taşıyıcı konsantrasyonunu tahmin etmek için seviyelerin dağılımını ve bu seviyeleri doldurma olasılığını bilmek gerekir.

Düşük taşıyıcı konsantrasyonuna sahip yarı iletkenler için (klasik yarı iletkenler), olasılık F n seviyenin iletim bandında E enerjisi ile doldurulması Maxwell-Boltzmann dağılımı ile verilir:

, (2.1)

EF, Fermi enerjisidir 3 (veya elektrokimyasal potansiyel), bir enerji seviyesi olarak karakterize edilebilir, doldurma olasılığı 1/2'dir. (Fermi seviyesinin altındaki bant aralığındaki tüm seviyelerin elektronlarla dolu olduğunu ve yukarıdakilerin elektronsuz olduğunu varsayabiliriz).

ile gösterilirse N(D ) E seviyesine yakın iletim bandındaki seviyelerin yoğunluğu, sonra N (D)  E, aralıktaki düzey sayısını temsil eder E . Bu sayıyı seviyeyi doldurma olasılığı ile çarpmak F n aralığında serbest elektron konsantrasyonunu elde ederiz. E . Toplam serbest elektron konsantrasyonu n İletim bandının tüm genişliği boyunca toplanarak (entegre edilerek) elde edilir 4 : (, burada E c ve E üst iletim bandının alt ve üst enerjileridir, N(D ) birim enerji aralığı başına durumların yoğunluğudur). Bu prosedürü gerçekleştirdikten sonra şunları elde ederiz:

, (2.2a)

nerede Nc iletim bandındaki durumların etkin yoğunluğudur.

Delik konsantrasyonunun ifadesi benzer şekilde elde edilir:

. (2.2b)

nerede NV değerlik bandındaki durumların etkin yoğunluğu

Formüllerde (2.2) sol ve sağ kısımları çarparak şunu elde ederiz:

(2.3)

Sabit bir sıcaklıkta, konsantrasyonların ürününün sabit bir değer olduğu görülebilir, yani. konsantrasyonlardan birinde bir artışa diğerinde bir azalma eşlik eder.

İçsel p / p'de elektronların ve deliklerin konsantrasyonları aynıdır. ile gösterilirler ben ve içsel konsantrasyonlar olarak adlandırılır. Tedarik n = n ben ve p = n ben (3)'te içsel konsantrasyon için bir ifade elde ederiz.

(2.4)

İçsel konsantrasyonun üstel olarak sıcaklığa ve bant aralığına bağlı olduğu görülebilir.

(3) ve (4)'ten şu şekildedir: (2.5)

Fermi düzeyini daha ayrıntılı olarak ele alalım. Bunu yapmak için, basitlik olduğunu varsayarak (2.2) ifadesini kullanarak konsantrasyonların oranını belirleriz. Nc = N v :

, (2.6)

(2.6) değerini sol tarafa yazalım p = n ben 2 / n (2.5)'ten ve her iki parçanın logaritmasını alın, o zaman Fermi seviyesi serbest elektron konsantrasyonu cinsinden yazılabilir:

(2.7a)

(6) değerini yerine koyarsak n = n ben 2 / p , sonra Fermi seviyesi delik konsantrasyonu cinsinden yazılır:

(2.7b)

Değerin bant aralığının ortası olduğuna dikkat edin. (2.7) ifadelerindeki ikinci terim, bant aralığının ortasından Fermi seviyesinin konumuna kadar olan enerji değerini temsil eder ve ikincisi, yarı iletkendeki serbest taşıyıcıların konsantrasyonunu belirler - n - (2.7a) ifadesinden ve -p - (2.7b) ifadesinden. Şu da yazılabilir

(2.7v)

(2.7) ifadelerinden aşağıdaki sonuçları çıkarabiliriz:

Kendi yarı iletkenlerinde, n = p = ni Fermi seviyesi yasak bandın ortasında yer alır;

Elektronik yarı iletkenlerde, n > n ben Fermi seviyesi bant aralığının üst yarısında yer alır ve ne kadar yüksek olursa elektron konsantrasyonu o kadar yüksek olur;

Delik yarı iletkenlerinde, p > ben Fermi seviyesi, bant aralığının alt yarısında yer alır ve ne kadar düşük olursa, deliklerin konsantrasyonu o kadar yüksek olur;

Sıcaklık arttıkça, değer katlanarak arttığında ben (bkz. (2.4)) ve karşılaştırmaya başlar ve ardından değeri geçer n ve safsızlık yarı iletkeni kendi haline dönüşür ve Fermi seviyesi bant aralığının ortasına kayar;

(2.7) ifadelerindeki taşıyıcıların konsantrasyonunu karakterize eden ikinci terime kimyasal potansiyel denir, E Bence - elektrik potansiyeli, dolayısıyla adı - elektrokimyasal potansiyel.

Yarı iletken fiziğindeki temel hükümlerden biri şu şekilde formüle edilmiştir:Fermi düzeyi, ne kadar heterojen olursa olsun, denge sisteminin tüm bölümlerinde aynıdır.

Aslında, homojen olmayan bir katkı dağılımına sahip bir yarı iletken alırsak, başlangıçta farklı taşıyıcı konsantrasyonlarına ve buna bağlı olarak Fermi seviye gradyanına sahip bölgelere sahip olacaktır. Bu taşıyıcılar, (gerçekte her zaman gözlemlediğimiz) denge kurulana kadar konsantrasyon gradyanı nedeniyle yeniden dağılmaya başlayacaklardır, ancak bu, telafi edilmemiş safsızlık merkezlerinin ortaya çıkması nedeniyle elektrik alanlarının oluşmasına yol açacaktır. Sonunda kimyasal potansiyel gradyanı elektriksel potansiyel gradyanı ile telafi edilecek ve sonuçta ortaya çıkan Fermi seviye gradyanı sıfır olacaktır.

2.2 Taşıma olayları (iletkenlik)

Bir yarı iletkendeki serbest taşıyıcıların hareketi, gradyanların etkisi altında gerçekleşir. Kural olarak, bunlar konsantrasyon gradyanları (ve sonuç olarak taşıyıcı difüzyonu) ve bir elektrik alanı oluşturan elektrik potansiyelinin gradyanlarıdır. Elektrik alanındaki harekete sürüklenme denir. sürüklenme akımı yoğunluğu J E alanı tanımlı Ohm yasası:

, (2.8)

elektriksel iletkenlik nerede ve nerede - direnç.

Elektiriksel iletkenliktaşıyıcı konsantrasyonu ve hareketliliği ile belirlenir. Yarı iletkenlerde iki tür mobil taşıyıcı olduğundan iletkenlik iki bileşenden oluşur - elektron ve boşluk:

, (2.9)

nerede  n ve  p karşılık gelen taşıyıcıların hareketliliği, q temel elektrik yüküdür (1.602 10-19 C).

Kural olarak, elektriksel iletkenlik, örneğin bir yarı iletkende daha fazla olan taşıyıcılar tarafından belirlenir. n -tip - elektronlar tarafından belirlenir.

Hareketlilik birim alandaki taşıyıcıların ortalama sürüklenme hızı olarak tanımlanır, yani. E=1 volt/cm'de veya ortalama hız ile elektrik alanı arasındaki orantı faktörü olarak:

(2.10)

Bir elektrik alanının etkisi altındaki taşıyıcılar, kafes siteleri, kirlilikler ve yapısal kusurlar ile çarpışmalar arasındaki aralıklarda hızlanma ile kafes içinde hareket eder, yani. saçılma yaşıyor. Her çarpışmadan sonra taşıyıcı yeniden hız kazanmalıdır. Sonuç olarak, hareketi, (2.10) ifadesinde gösterildiği gibi, elektrik alan kuvvetiyle orantılı bir ortalama hız ile tanımlanabilir.

Hareketlilik, taşıyıcıların safsızlıklar tarafından saçılması ile ilişkili olduğundan, Şekil 2.1'de gösterildiği gibi artan safsızlık konsantrasyonu ile azaldığını gözlemlemek doğaldır.

Hareketlilik birimi cm²/(V s)'dir. Hareketlilik değeri sadece konsantrasyona değil, aynı zamanda kristalografik bölgelerin oryantasyonuna da bağlıdır ve yönlerle artar.<110>  <100>  <111>.

Bir taşıyıcı konsantrasyon gradyanı varlığında veya n 0 ve p 0 - p / p'deki taşıyıcıların denge konsantrasyonları n veya p-tipi, bu gradyanı azaltma yönünde hareket ederler, böylece akım yoğunluğu J şu şekilde tanımlanır:

, (2.11 )

nerede D n ve D p Einstein ilişkisi ile hareketlilikle ilgili elektronların ve deliklerin difüzyon katsayılarıdır:

(2.11a)

Böylece, bir elektrik alanı E ve taşıyıcı konsantrasyon gradyanlarının mevcudiyeti ile belirlenen toplam akım, (2.8) ve (2.9) aşağıdaki ifade ile hesaplanarak belirlenir:

, (2.12a)

(2.12b)

(2.12) ifadeleri tek boyutlu durum için yeniden yazılabilir:

(2.13a)

(2.13b)

2.3 Rekombinasyon süreçleri

Bir yarı iletkende dengede olmayan taşıyıcılar ortaya çıktığında ve pn > n ben 2 p / p elektromanyetik radyasyona maruz kaldığında veya içine ek taşıyıcılar enjekte edildiğinde meydana gelen, sistemin termodinamik dengeye geldiği kinetik süreçler ortaya çıkmaya başlar. Elektronlar gibi denge dışı (ilave) taşıyıcılar, daha önce bir elektron kaybetmiş kafes atomları tarafından yakalanarak iletim bandından çıkarılır. Bu durumda, hem elektron hem de boşluk olan serbest taşıyıcıların karşılıklı olarak yok edilmesi ve bunların bağlı duruma geçişi gerçekleşir. Serbest bir elektron ayrıca bir tuzak merkezi tarafından yakalanır (kural olarak, bunlar metal atomlarıdır veya bir yarı iletkenin yasak bandında izin verilen durumlar yaratan düzenli bir yapıdaki kusurlardır). Şekil 2.2'de gösterildiği gibi, bu tür birkaç merkez olabilir.

Rekombinasyon süreçlerinde, enerji, foton emisyonu ile kafes tarafından emilir (galyum arsenitte olduğu gibi) veya enerji diğer taşıyıcılar tarafından emilir (OGE rekombinasyonu).

Yakalama merkezleri tarafından taşıyıcı yakalama süreçlerine, bu merkezler tarafından taşıyıcıların salınması (emisyon) eşlik edebilir; taşıyıcı nesil

Rekombinasyon-taşıyıcı üretim süreçleri 20. yüzyılda birçok araştırmacı tarafından incelenmiştir. Shockley-Reed-Hall teorisine göre, rekombinasyon oranı U (cm -3 s -1 ) rekombinasyon seviyesi bant aralığının ortasına yakın olduğunda maksimumdur.

Düşük enjeksiyon seviyelerinde, fazla taşıyıcı konsantrasyonu n ( p) ana taşıyıcıların konsantrasyonundan çok daha azdır, rekombinasyon işlemi şu ifade ile tanımlanır:

, (2.14)

nerede р n 0 denge azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonu, p azınlık taşıyıcılarının ömrü. Ayrıca, azınlık taşıyıcılarının ömrü, tuzak merkezlerinin konsantrasyonu ile belirlenir. N t , taşıyıcıların termal hızı inci , kesit yakalama taşıyıcı ve tuzak merkezi arasındaki etkileşim mekanizmasını belirleyen . Ödeme emri için p tipi:

p/p n için - tip (2.15)

(2.16)

Bu tür merkezlerin tipik bir örneği, yüksek hızlı anahtarlar oluşturmak için silikona eklenen silikondaki altındır.

ders 3

Elektron deliği geçişleri

Farklı iletkenlik türlerine sahip iki yarı iletken katmanın kombinasyonu, doğrultucu veya valf özelliklerine sahiptir: akımı bir yönde diğerinden çok daha iyi geçirir. İyon implante edilmiş bir bağlantı elde etme yöntemi Şekil 3.1'de gösterilmiştir.

Şekilden de anlaşılacağı gibi, R üretimi için+n diyot, bir yarı iletken almanız gerekir N+ tipi (silikon n + tipi), epitaksiyel hafif katkılı bir katman büyütün n - yazın, sonra yüzeyi oksitleyin, oksitte belirli bir yer açın, P-tipi safsızlığın (bor) iyon implantasyonunu gerçekleştirin, ardından P+ tipi bölgeye ve temas alanları olarak substratın arka tarafına metalizasyon oluşturun. Sonuç olarak, keskin bir asimetrik keskin elde ederiz. pn yüksek katkılı P+ bölgesi ve düşük katkılı geçiş n Şekil 3.2'nin sol tarafında görüldüğü gibi, bölgeler arasında çok keskin bir sınır ve tekdüze bir kirlilik dağılımı olarak yorumlanabilecek bölge n - ve p- alanları, Şekil 3.2'nin sağ tarafında gösterildiği gibi

(kural olarak, arayüzdeki safsızlık konsantrasyonunun olduğu “pürüzsüz bir geçiş” de dikkate alınır. n ve p - mesafe ile doğrusal olarak değişir)

P+ tipi katmandaki delikler düşük katkılı bölgeye yayılır n - tip. Bununla birlikte, katmanda n -metalurjik sınıra yakın tip (deliklerin ve elektronların konsantrasyonlarının eşit olduğu bölge) fazla delikler olacaktır. Denge koşulu (2.5) sağlanana kadar elektronlarla yeniden birleşirler. Buna uygun olarak, bu bölgedeki elektron konsantrasyonu azalacak ve donör atomların telafi edilmemiş pozitif yükleri açığa çıkacaktır. Metalurjik sınırın solunda, deliklerin kaldığı (bkz. Şekil 3.3) alıcı atomların telafi edilmemiş negatif yükleri "maruz kalır".

Tek yönlü bir geçişte, yani. , burada, söz konusu durumda olduğu gibi, P-bölgesindeki deliklerin konsantrasyonu p p0 elektron konsantrasyonundan çok daha yüksek N - alanlar n n 0 veya p p0 >> n n 0 elektronların hareketi çok daha azdır.

Uzay yüklerinin alanına tükenmiş katman denir, bu, her iki bölümünde de keskin bir şekilde azaltılmış serbest taşıyıcı konsantrasyonu anlamına gelir ve geçiş analizinde ihmal edilebilecek kadar az sayıda vardır. Serbest taşıyıcıların küçüklüğü nedeniyle, tükenme bölgesi tüm diyot yapısının en yüksek dirençli kısmı olarak kabul edilebilir.

Geçiş genellikle nötrdür: Sağ taraftaki pozitif yük, sol taraftaki negatif yüke eşittir. Bununla birlikte, yük yoğunlukları keskin bir şekilde farklıdır (katışıklık konsantrasyonlarındaki farklılıklardan dolayı). Bu nedenle, tükenmiş katmanların uzunlukları farklıdır: daha düşük safsızlık konsantrasyonuna sahip bir katmanda (bizim durumumuzda, n - katman), tükenmiş şarj bölgesi çok daha geniştir. Bu durumda, "asimetrik geçişin yüksek dirençli bir katmanda yoğunlaştığı" iddiası doğrudur.

Tükenme bölgesindeki yüklerin varlığı, şekil 3.4'te gösterildiği gibi bir elektrik alanının ortaya çıkmasına neden olur.

Bağlantıda denge durumundaki akım (harici voltaj uygulanmadan) olumsuzluk Elektrokimyasal potansiyel gradyanı olmamasından dolayı (Fermi seviyesi) akışlar (hareketli taşıyıcılar yoktur) E F ), Şekil 3.5'te gösterildiği gibi:

Şekil 3.5, sağ tarafta Fermi seviyesinin E F E iletim bandının kenarına yakın C n - yazın ve Fermi'nin sol tarafında E F E değerlik bandının kenarına yakın v , bu bir alan olduğu anlamına gelir P - tip. Hacim boyunca Fermi seviyesinin sabitliği, bant bükülmesine yol açar. pn değere geçiş v bi temas potansiyel farkı olarak adlandırılır.

Şekil 3.5'ten şunu takip eder: v bi bağlı olmayan yarı iletkenlerin Fermi seviyeleri arasındaki farktır. n - tipi ve p tipi. Daha sonra (2.7) ifadelerini dikkate alarak şunları elde ederiz:

(3.1)

Elektron konsantrasyonu göz önüne alındığında n - alanlar n n 0 esas olarak tamamen iyonize donörlerin konsantrasyonu ile belirlenir ND , ve P bölgesindeki deliklerin konsantrasyonu p p 0 tamamen iyonize alıcıların konsantrasyonu ile belirlenir N A , şunu yazıyoruz:

(3.2)

Tipik durum için N A \u003d 10 19 cm -3 ve N D \u003d 10 16 cm -3, k \u003d 1.3710 -23 J / C , q \u003d 1.610 - 19 C, anladık Vbi=0.83B - bu oluşum sırasındaki temas potansiyel farkıdır pn geçişi.

Termal dengede, yarı iletkenin nötr kısımlarındaki elektrik alanı sıfırdır. Bu nedenle, p-bölgesindeki birim alan başına toplam negatif yük, bölgedeki birim alan başına toplam pozitif yüke eşittir. n - alanlar:

, (3.3)

Burada x n ve x p tükenmiş bölgelerin boyutlarıdır.

Tükenmiş bölgedeki E(x) elektrik alanının büyüklüğünü ve kapsamını hesaplamak için xn + xp potansiyel dağılımı ile ilgili denklemi kullanıyoruz V şarjlı  – tek boyutlu Poisson denklemi:

, (3.4)

nerede yarı iletkenin dielektrik sabitidir, s =  0  , burada  0 - vakum geçirgenliği 0 \u003d 9 * 10 -14 F / cm,  - yarı iletkenin bağıl dielektrik sabiti (silikon için = 11,9).

Genel olarak, yük yoğunluğu bir yarı iletkende aşağıdaki gibi yazılır:

nerede ve iyonize safsızlıkların konsantrasyonları.

n alanı için - tür yazılabilir:

, (3.5a)

p bölgesi için:

(3.5b)

x=0 ile x=x aralığında x üzerinden ifadeyi (3.5b) entegre etme P p-tipi tükenmiş bölgedeki elektrik alan gücünün dağılımını elde ederiz:

(3.6a)

benzer şekilde (3.5a) ifadesi için şunu elde ederiz:

(3.6b)

Şekil 3.4'te gösterilen tükenme bölgesindeki elektrik alanının doğrusal bir dağılımını elde ettik. x=0'da elektrik alanının maksimum bir değer aldığı görülebilir:

(3.7)

(3.7) dikkate alındığında (3.6b) ifadesi şu şekilde ifade edilebilir:

Şekil 3.6'da gösterilen ikinci dereceden bir potansiyel dağılımı elde ettik.

eşitleme değerleri V (x) x = 0'da ve V p - V n = V bi'yi hesaba katarak şunları elde ederiz:

Veya (3.7)'yi dikkate alarak yazıyoruz

veya, (3.8)

nerede tükenmiş bölgenin toplam genişliğidir.

Tükenme bölgesinin genişliği ile her iki taraftaki safsızlık konsantrasyonları arasındaki ilişkiyi belirleyelim. pn geçişi.

(3.8)'den, (3.7)'yi dikkate alarak şunu yazarız:

Birlikte:

x n ve x p'yi hareket ettir sağ tarafa ve her iki ifadeyi de ekleyin:

Çünkü x n + x p = W, sonra W'yi ifade ederiz:

(3.9)

Asimetrik bir geçiş için, N A  N D yazılabilir:

(3.10)

yani genişlik geçiş, yüksek dirençli bölgedeki safsızlık konsantrasyonu ile belirlenir.

V bi =0.83 B ve N D = 10 16 varsayıldığında cm-3, silikon için alıyoruz G  x n  0,3 µm

Sağlanan ters voltajı dikkate alarak V'den pn'ye geçiş, yazabiliriz:

(3.11)

şunlar. geçiş genişliği voltajla artar.

ders 4

p-n-bağlantısının volt-amper karakteristiği

Akım-voltaj karakteristiğinin ifadesi, aşağıdaki varsayımlardan bazılarına dayanarak hesaplanabilir: 1) keskin sınırları olan tükenmiş bir katman yaklaşımı, yani. kontak potansiyel farkı ve uygulanan voltaj, yüklü katmanlarla dengelenir n - ve dışında yarı iletkenin nötr olarak kabul edildiği p tipi; 2) Boltzmann yaklaşımları, yani. tükenmiş bölgede, Boltzmann dağılımları geçerlidir, bu da (2.7) ifadelerine yol açar; 3) düşük seviyeli enjeksiyon yaklaşımları, yani. enjekte edilen taşıyıcıların yoğunluğu, çoğunluk taşıyıcıların konsantrasyonuna kıyasla küçük olduğunda; 4) tükenmiş katmanda üretim akımlarının olmaması ve içinden akan elektron ve delik akımlarının sabitliği.

Dönüştürücü ifadeler (2.7) şunları buluruz:

(4.1a)

, (4.1b)

nerede  ve  - bant aralığının ortasına ve Fermi seviyesine karşılık gelen potansiyeller ( =  E ben / q ,  =  E F / q ). (Bireysel yarı iletkenler için n - ve p-tipi Fermi seviye E F herkesin kendi). Termal bir denge durumunda, ürün np eşittir n ben 2 . Ancak bağlantının her iki tarafındaki bağlantıya bir voltaj uygulandığında, bağlantının her iki tarafından ve üründen enjeksiyon nedeniyle azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonu değişir. np artık n ben 2'ye eşit değil . Akım aktığı için, Fermi seviyesi yapı olarak aynı değildir ve elde edilen seviyelerin (Fermi seviyeleri gibi) değerleri ifadelerden belirlenir:

(4.2a)

, (4.2b)

nerede  n ve  p - Sırasıyla elektronlar ve delikler için Fermi yarı seviyeleri (potansiyeller). Onları ifade edelim:

(4.3a)

, (4.3b)

(4.2)'den (4.4) buluruz

İleri sapma için ( p -  n ) > 0 ve pn > n ben 2 , ve ters önyargı ile ( p -  n )< 0 и pn < n i 2 .

akımı belirlemek için (2.13) ifadesini kullanırız

=(E   ) =

(4.2a)'yı dikkate alarak ve'yi temsil edelim.

potansiyel gradyan. Buna göre =.

Şunlar. elektronik akım için aldık Jn :

(4.5)

Benzer şekilde, sahip olduğumuz delik akımı için:

(4.6)

Elektron ve delik akım yoğunluklarının, sırasıyla elektronlar ve delikler için yarı-Fermi seviyelerinin gradyanlarıyla orantılı olduğunu bulduk. Termal denge durumunda =0 ve J n = J p =0.

Bağlantıdaki yarı-Fermi seviyeleri, potansiyel dağılımı ve taşıyıcı konsantrasyonu ile bant diyagramı Şekil 4.1'de gösterilmiştir.

Elektrostatik potansiyellerin farkı pn geçiş değeri tarafından belirlenir

(4.7)

x = geçiş sınırında p-bölgesindeki elektron konsantrasyonu için x r (4.7) ve (4.4) kullanarak yazıyoruz:

, (4.8)

nerede n p 0 - p bölgesindeki elektronların denge konsantrasyonu

benzer şekilde

(4.9)

p n deliklerin konsantrasyonu n - x=x'te tükenmiş tabakanın sınırındaki alanlar n ve p n 0 deliklerin denge konsantrasyonudur n - alanlar.

Akım ve voltaj arasındaki ilişkiyi belirlemek için son ifadeleri kullanırız.

Bunu yapmak için, akımın akışıyla ilgili aşağıdaki fikirleri kullanıyoruz. Tükenme bölgesinden p / p'ye düşen delikler n - kullanım ömrü boyunca elektronlarla yeniden birleşin p , böylece rekombinasyon oranı U eşit olacak

x=x'te tükenme bölgesi sınırındaki bu enjeksiyon akımı n elektrik alanının sıfır olduğu yerde (bkz. Şekil 3.4), delik konsantrasyon gradyanını değiştirerek deliklerin difüzyonu ile belirlenir. n alan, böylece yazabiliriz:

(4.10)

Denklem (4.10), bir elektrik alanının yokluğunda ve sabit bir akım durumunda (durağan durum) bir süreklilik denklemidir. Difüzyon denklemi olarak da adlandırılır. Aslında, sol taraf zaman içinde deliklerin konsantrasyonundaki bir değişiklik olarak yorumlanabilir ve sağ taraf, konsantrasyonun değiştiği aynı hacimdeki deliklerin yeniden dağılımı olarak yorumlanabilir. Difüzyon bu şekilde gerçekleşir.(İkinci Fick'in difüzyon yasası).

Çünkü , Biz yazarız:

Veya (4.11)

Dikkat edin ki; L - rekombinasyondan önce taşıyıcının ömrü boyunca kat ettiği mesafeyi karakterize eden difüzyon uzunluğunu temsil eder.

Durağan denklem (4.11), ikinci dereceden bir adi lineer denklemdir. Çözümü, üslerin toplamıdır:

x = için fazla taşıyıcıların konsantrasyonuna dikkat edin., yani  p( ) = 0, yani birinci terim A'nın katsayısı 1=0. x \u003d x n A 2 \u003d  p (x n) için buradan:

Verilen.  р(х n ) = p n (4.9) şunu elde ederiz:

(4.12)

x=x için (2.11) dikkate alındığında n (alan E=0 olduğunda) delik akımı yoğunluğu eşittir

(4.13)

(Formül (4.13) türetilirken, şunu dikkate aldık:)

Benzer şekilde, p bölgesini dikkate alarak elektron akım yoğunluğunu elde ederiz.

(4.14)

Geçişten geçen toplam akım, akımların (4.13) ve (4.14) toplamına eşittir:

, (4.15)

Nerede + (4.16)

İfadeler (4.15-4.16), ideal bir diyotun akım-voltaj karakteristiğini tanımlayan iyi bilinen Shockley formülüdür (Şekil 4.2).

Bir ileri önyargı ile (p-bölgesine pozitif bir voltaj sağlayarak) V > 3 kT / q ideal geçiş karakteristiğinin eğimi, Şekil 2'den görülebileceği gibi sabittir. 4.2b ve ters önyargı ile akım yoğunluğu doygun hale gelir ve şuna eşit olur: J s.

Dersin başında öne sürülen varsayımları zayıflatarak, pn CVC'nin geçiş, doğrudan ve ters dalları, (4.15) ve (4.16) ifadeleriyle tanımlanan ideal olanlardan farklıdır.

ders 5

pn geçiş özellikleri

5.1 V-karakteristik sıcaklık bağımlılığı

Sıcaklığın doyma akımı yoğunluğu üzerindeki etkisini düşünün J'ler . Bunu yapmak için (4.16) ifadesindeki ilk terimi ele alalım. (ikinci terim birinciye benzer ve keskin bir asimetrik durumda N p >> N d veya p n 0 >> n p 0 olduğunda pn geçişi ikinci terim genellikle ihmal edilebilir). (4.16) ifadesindeki tüm nicelikler sıcaklığa bağlıdır. gösterilebilir ki dp T olarak sıcaklığa bağlıdır 3/2 , D p /  p T olarak sıcaklıkla ilgili(3+  )/2 , burada  bir sabittir.

J s'yi (4.16)'dan dönüştürüyoruz, p n 0 = n i 2 / n n 0 ifade ediyoruz ve ifadeyi kullanarak n (2.4):

(5.1)

Güç faktörü T'nin sıcaklığa bağlılığı(3+  )/2 üstelden çok daha zayıf.bağımlılık eğimi lnJ'ler 1/T'den itibaren düz bir çizgidir ve eğimi bant aralığı tarafından belirlenirÖrneğin , ters bağlantı akımının baskınlığı için başka bir mekanizma yoksa.

5.2 Bariyer kapasitesi

Spesifik bariyer kapasitesi pn geçiş C ifadesi ile tanımlanır dQ c / dV , burada Q c - uygulanan voltajın yeterince küçük bir artışının neden olduğu yük yoğunluğu artışı.

Dengesiz bir ani geçiş için, bir voltaj uygulanmasıyla tükenme bölgesinin genişliği değişir. V gibi

((3.11) ile karşılaştırın) (5.2)

Tükenmiş bölgenin yükü de değişir: bu nedenle

(K/cm2) (5.3)

Artı ve eksi işaretleri, geri ve ileri sapmaya karşılık gelir.

1/C değerini ifade edersek 2 , sonra şunu elde ederiz:

(5.4)

1/С doğrusal bir ilişki görüyoruz 2 ofset V'den . Çizgi eğimi 1/C 2 kirlilik konsantrasyonu ile belirlenir ND , ve apsis ekseni ile kesişme noktası (1/С için 2 = 0) değeri verir vb.

5.3 Taşıyıcıların üretim-rekombinasyon süreçleri.

Shockley formülü (4.15) germanyumun akım-voltaj özelliklerini tatmin edici bir şekilde tanımlar. pn Düşük akım yoğunluklarında geçişler. Bununla birlikte, daha büyük bir bant aralığına (silikon, galyum arsenit) ve buna bağlı olarak daha küçük bir değere sahip yarı iletkenler için ben , bu formül gerçek özelliklerle yalnızca niteliksel uyum sağlar. Karakteristiğin idealden sapmasının ana nedenleri şunlardır: 1) tükenmiş katmandaki taşıyıcıların üretim ve rekombinasyon süreçlerinin etkisi, 2) ileri önyargıda yüksek bir enjeksiyon seviyesi, 3) seri direncin etkisi.

Geçişin ters bir önyargısıyla, taşıyıcı emisyon süreci geçişte baskın olduğunda. Bu durumda, bu koşullar altında elektron-boşluk çiftlerinin üretim hızı, kullanım ömrü tarafından belirlenecektir:

, (5.5)

nerede  e - üretim merkezlerinin konsantrasyonu ile belirlenen ömür (bkz. 2.15). Tükenmiş bölgedeki üretimden kaynaklanan akım yoğunluğunun,

, (5.6)

nerede tükenmiş katmanın genişliğidir. Üretim akımının sıcaklığa bağımlılığı, sıcaklığa bağlı olarak belirlenir. n ben, n değil Bence2 difüzyon akımına gelince. Bu durumda, karşılıklı sıcaklıktan logaritmik bir ölçekte özelliğin eğimi (lnJ = F(1/ T) üretim akımı için difüzyon akımından iki kat daha azdır, yani.değer tarafından belirlenirEG/2.

Belirli bir sıcaklıkta, keskin bir geçişin tükenmiş tabakasının genişliği, voltaj (5.2) olarak artar ve toplam ters akım, nötr bölgedeki difüzyon akımının ve üretim akımının toplamı ile belirlenir:

(5.7)

Büyük bir değere sahip yarı iletkenlerdenBenceGermanyum gibi, difüzyon akımı baskındır. EğernBenceküçükse (silikonda olduğu gibi), o zaman üretim akımı baskındır. Bu durumda, Şekil 5.1'de gösterildiği gibi, ters geçiş akımının değeri keskin bir şekilde artar. .

İleri yanlılık durumunda, tükenmiş katmanda yoğun rekombinasyon süreçleri gerçekleştiğinde, eğride farkedilen difüzyon akımına bir rekombinasyon akımı eklenir. ) Şekil 5.1. Akımdaki daha güçlü bir artışla, enjekte edilen azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonu, çoğunluk taşıyıcılarının konsantrasyonu ile karşılaştırılır ve burada sadece difüzyonu değil, akımın sürüklenme bileşenini de hesaba katmak gerekir. Bu, Şekil 5.1'deki c) formunun doğrudan karakteristiğinin eğiminde bir değişikliğe yol açar. Ve son olarak, yüksek akım yoğunluklarında, diyota bitişik bölgelerin sonlu seri direnci Şekil 5.1'de bir rol oynamaya başlar (d eğrisi). Tüm bu durumlarda, yarı logaritmik bir ölçekte doğru akım dalının, eğim değeri ile belirlenen ideal olandan sapması vardır.Q/ k(4.15) denkleminden çıkan T.

5.4 Difüzyon kapasitesi

İleri sapma durumunda, azınlık taşıyıcıların konsantrasyon dağılımındaki bir değişiklik nedeniyle bağlantı kapasitansında difüzyon kapasitansı baskındır. İleri önyargı için eşdeğer geçiş devresi Şekil 5.2'de gösterilmiştir.

Bu kapasitans, değişken bir sinyalle kendini gösterir. Daha sonra geçişin iletkenliğiGve kapasitesiCŞekil 5.2'deki diyagram dikkate alınarak belirlenebilir. Aynı zamanda, C dQ/ dV ~ D(Q n)/ dV, neredeD( n)/ dV- değişken bir sinyalle azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonundaki değişiklik.

5.5 Arıza pn bağlantısı

Büyük bir ters önyargı ilepnbüyük bir elektrik alanı oluşturan bağlantı, bağlantı "kırılır", yani. içinden büyük bir akım geçer. Üç arıza mekanizması vardır: termal, tünel açma ve çığ.

Ters taraflı bir bağlantıda büyük bir akım aktığında, ısı açığa çıkar (bu özellikle germanyum gibi küçük bir bant aralığına sahip malzemeler için geçerlidir). Bağlantı noktasındaki sıcaklıktaki bir artış, akımda bir artışa yol açar (örneğin, (5.1'deki gibi), bu da yine sıcaklıkta bir artışa yol açar, vb.) ") Akımı sınırlamak için herhangi bir önlem alınmazsa. Böyle bir olguya denirtermalYıkmak. Cihazın tahrip olması nedeniyle böyle bir çalışma moduna izin vermemeye çalışıyorlar.

tünelbozulma gerçekleşirpnher iki tarafı dejenere olan (ağır katkılı) geçiş. Her iki taraftaki Fermi seviyesi, bant aralığında değil, iletim bandında olacaktır.n- p / p tipi ve p / p p tipi için değerlik bölgesinde.

Böyle bir diyotun enerji diyagramı Şekil 5.3'te gösterilmiştir.

Böyle genişliğipngeçiş 100Å'den azdır. Böyle bir bağlantıdaki küçük voltajlar bile çok büyük bir elektrik alanına neden olur ~106 w/cm Küçük bir ters öngerilim ile p/p p-tipi değerlik bandından elektronlar iletim bandında serbest yerlere hareket edebilirler.n-type - potansiyel bir bariyerden tünel açma. (Bu bir kuantum olayıdır. Sol taraftaki elektronun dalga fonksiyonunun sağ taraftaki sıfırdan farklı olduğu anlamına gelir, bu da elektronun sağ tarafta lokalizasyon olasılığının olduğu ve bu olasılığın sıfırdan farklı olduğu anlamına gelir. yakın potansiyel bariyerin sonlu bir değerindeEG). Ters önyargılı bu tür akım akışına denir.tünel. Böyle bir özelliğin formu Şekil 5.4'te gösterilmektedir. Bu tür diyotlara denirZener diyotları1933'te böyle bir fenomeni ilk kez araştıran bilim adamı Carlos Zener'in adını aldı. Bu arıza mekanizması 5.5V'a kadar çalışır, ardından çığ arıza mekanizması hüküm sürer.

Sıcaklık arttıkça, deneylerin gösterdiği gibi bant aralığı azalır ve Şekil 5.4'te görüldüğü gibi tünel kırılma voltajı düşer.

en yaygın olanıçığYıkmak. Çığ dökümü, geçiş bölgesinde etkili olan güçlü bir elektrik alanında "taşıyıcı çarpma" olgusuna dayanmaktadır. Ortalama serbest yol üzerinde bir elektrik alanı tarafından hızlandırılan bir elektron ve bir delik, nötr bir yarı iletken atomun kovalent bağlarından birini kırabilir. Sonuç olarak, yeni bir elektron-boşluk çifti doğar ve süreç yeni taşıyıcıların katılımıyla tekrarlanır. Yeterince yüksek bir alan kuvvetinde, ilk çift birden fazla yeni çift ürettiğinde, iyonizasyon gazlarda kendi kendine devam eden bir deşarja benzer bir çığ karakteri kazanır. Bu durumda akım sadece dış dirençle sınırlanacaktır.

Geçiş genişliği iseW, sonra maksimum elektrik alanı Emçığ sürecine neden olan, arıza gerilimi ile ilgilidir.VBifade: , yani alan Emvoltaj tarafından üretilenVBgeçişin yarısına uygulanır.

Çünkü (bkz. (3.7)) , ancak keskin bir geçiş için, ki buradanA>> nD, bu şu anlama gelirxn>> xPvexn W, yazabiliriz veya sonra

(5.8)

Açıkça, artan konsantrasyonla, tükenmiş bölgenin boyutu küçülür ve aynı E değerinde olur.marıza gerilimiVV.azalır.

Şekil 5.5'teki grafik bu sonucu göstermektedir.

E'yi hesaplamak içinmampirik formül kullanılır:

, (5.9)

neredenBcm cinsinden ölçülür-3

İçinpndiğer safsızlık profilleri ile geçişler (keskin değil), böyle bir eğilim (artan konsantrasyonla bozulma voltajında bir azalma) benzerdir.

Sıcaklık yükseldikçe çığ kırılma voltajı artar (tünel arızasının aksine). Yüksek sıcaklıklarda, taşıyıcılar enerjilerini iyonizasyondan ziyade kafes titreşimleriyle (fononlar) etkileşime daha kolay harcarlar, bu nedenle çığ etkisini elde etmek için elektrik alanını ve dolayısıyla ters voltajı artırmanız gerekir.

Çığ dökümünün bir başka önemli özelliğini not ediyoruzpnsilikon yüzeyinin yerel alanlarında oluşturulan geçişler (bu, tüm diyotların ~% 99'udur). Şekil 5.6'dan görülebileceği gibi, bu tür diyotlar, tükenme bölgesinin boyutunun düz kısımdan daha küçük olduğu ve buna bağlı olarak belirli bir bağlantı voltajı için alan gücünün daha yüksek olduğu silindirik ve küresel bölgeleri kapsar. Geçişin çığ dökümü böyle yerlerde gerçekleşecek.

Bu özellikle şekillendirme sırasında fark edilir.nokta diyotları- üzerinde biriken kirlilik ile metal bir iğnenin belirli bir elektrik iletkenliği tipine sahip bir yarı iletken plakaya kaynaştırılmasıyla elde edilebilen çok küçük bir elektrik bağlantı alanına sahip diyotlar. (Şekil 5.7)

P-n bağlantısının küçük alanı ve bağlantının küçük kapasitansının bir sonucu olarak, bir nokta diyotun genellikle yaklaşık 300-600 MHz'lik bir sınırlayıcı frekansı vardır. Elektro şekillendirme olmadan daha keskin bir iğne kullanıldığında, onlarca gigahertz mertebesinde sınırlayıcı bir frekansla nokta diyotlar elde edilir.

1 Bardeen, Brettain ve Shockley tarafından Bell Laboratuvarı'nda bipolar transistörün icadı. 1947'de kuruldu.

2 İndeksler c ve v, iletim bandından ve değerlik bandından gelir

3 Elektrokimyasal potansiyel, termodinamikte, birim başına taşıyıcı sayısındaki bir değişiklikle sistemin enerjisindeki artışı karakterize eder.

4 S Zee "Yarı iletken cihazların fiziği" Kitap 1 sayfa 22

Geçiş sınırının yakınında bulunan p-n ekleminde safsızlık iyonlarının ve mobil yük taşıyıcılarının varlığı, kapasitif özelliklerini belirler.

p-n bağlantısının kapasitansının iki bileşeni vardır: bariyer (şarj) Cbar ve difüzyon Cdiff. Bariyer kapasitansı, p-n bağlantısında donör ve alıcı safsızlıkların varlığından kaynaklanır, p- ve n-bölgeleri olduğu gibi, 2 yüklü kapasitör plakası oluşturur ve tükenmiş katmanın kendisi bir dielektrik görevi görür. Genel durumda, şarj kapasitesinin p-n bağlantısına uygulanan ters gerilime bağımlılığı formülle ifade edilir.

burada C 0, Uobr=0'daki p–n bağlantısının kapasitansıdır.

γ, p–n geçişinin tipine bağlı bir katsayıdır (keskin geçişler için γ = 1/2 ve yumuşak geçişler için γ = 1/3). Bu ifadeden, ters voltajdaki bir artışla bariyer kapasitansının azaldığı görülebilir. Şunlar. ters voltajdaki bir artışla, p-n bağlantısının tükenmiş tabakasının kalınlığı artar, kapasitör plakaları ayrılıyor gibi görünür ve kapasitansı düşer. Bariyer kapasitansının bu özelliği, bağlantının ters voltajın büyüklüğü tarafından kontrol edilen bir kapasitans olarak kullanılmasına izin verir.

Kapasitansın uygulanan voltaja bağımlılığı, kapasitans-voltaj karakteristiği olarak adlandırılır. Eğrinin 1-plan p-n-kavşağı olduğu yerde, 2 keskindir.

Difüzyon kapasitesi, p ve n bölgelerindeki (eğri 3) dengesiz yük taşıyıcılarının sayısındaki değişiklikten kaynaklanmaktadır.

Ipr, bağlantı boyunca akan doğru akımdır, τ, enjekte edilen dengesiz taşıyıcıların ömrüdür.

İleri voltaj bölgesine geçişte, sadece bariyer kapasitansı değil, aynı zamanda p ve n geçiş bölgelerinde dengesiz yükün birikmesinden kaynaklanan kapasitans da artar. p ve n bölgelerinde biriken taşıyıcılar hızla yeniden birleşir, bu nedenle difüzyon kapasitesi zamanla azalır. Bozunma hızı, dengesiz yük taşıyıcılarının ömrü τ'ya bağlıdır. Difüzyon kapasitansı her zaman p-n bağlantısının küçük bir doğrudan direnci tarafından yönlendirilir ve büyük ölçüde yarı iletken elemanların hızını belirler.

Bir pn eklem eşdeğer devresi, p/n diyotları içeren elektronik devreleri analiz etmek için kullanılan matematiksel bir modeldir.

Lv - kurşun endüktansı ve Ck - kasa kapasitansı parametreleri, yapı kasaya yerleştirildiğinde kullanılır.

Geçişi tekrar açmak için eşdeğer devre farklı görünüyor:

Yüksek doğru akımlarda Sat, eşdeğer devreden çıkarılabilir.

16. p / p diyotlarının sınıflandırılması. Not sistemi. Koşullu grafik gösterimleri p / p diyotları.

Bir yarı iletken diyot, bir veya daha fazla bağlantı ve bir harici devreye bağlantı için iki kablo içeren elektriksel olarak dönüştürücü bir cihazdır.

P / p diyotları sınıflandırılır: kaynak malzeme, tasarım ve teknolojik özellikler, amaç vb. Kaynak malzeme tipine göre diyotlar: germanyum, silikon, selenyum, silisyum karbür, galyum arsenit vb. Tasarım ve teknolojik özelliklere göre: nokta, alaşım, mikro alaşım, difüzyon, epitaksiyel, Schottky bariyerli, polikristal vb. Amaca göre ayrılırlar: 1. Endüstriyel frekanslı güç kaynaklarının alternatif voltajını doğrudan dönüştürmek için tasarlanmış doğrultucu (güç). 2. Zener diyotları (referans diyotları), voltajları stabilize etmek için tasarlanmış, CVC'nin ters dalında bir bölümü olan ve akan akıma zayıf bir voltaj bağımlılığı olan bir bölüme sahip. 3. Yüksek hızlı darbeli sistemlerde çalışmak üzere tasarlanmış varisler. 5. Yüksek frekanslı salınımları yükseltmek, oluşturmak ve değiştirmek için tasarlanmış tünel ve ters diyotlar. 6. Mikrodalga, mikrodalga salınımlarını dönüştürmek, değiştirmek, oluşturmak için tasarlanmıştır. 7. Elektrik sinyalini ışık enerjisine dönüştürmek için tasarlanmış LED'ler. 8. Işık enerjisini elektrik sinyaline dönüştürmek için tasarlanmış fotodiyotlar. Not sistemi. Alfabetik ve sayısal öğelerden oluşur. Tanımlamanın ilk unsuru, diyotun kaynak malzemesini tanımlayan bir harf veya sayıdır: G veya 1 - germanyum veya bileşikleri; K veya 2 - silikon veya bileşikleri; A veya 3 - galyum arsenit ve galyum bileşikleri; İkinci eleman, diyotun amacını gösteren bir harftir: D - doğrultucu, darbe; C - zener diyotları; B - varikaplar; Ve - tünel, dönüştürülmüş; Bir mikrodalga; L - LED'ler; F - fotodiyotlar. Üçüncü eleman, diyotun enerji özelliklerini gösteren bir sayıdır. Dördüncü eleman, geliştirme numarasını gösteren iki basamaktır. Beşinci eleman, diyotun özel parametrelerini karakterize eden bir harftir. Koşullu grafik görüntüler.

Bir diyotun terminallerine anot ve katot denir. Anot, harici bir elektrik devresinden doğru akımın aktığı bir elektronik cihazın çıkışıdır. katot - doğrudan akımın harici bir elektrik devresine aktığı bir elektronik cihazın çıkışı. Diyot atamasındaki ok, bağlantının n-bölgesini gösterir.

Ters akış mekanizması geçiş yoluyla nispeten basittir. Hacimsel yük bölgesinin elektrik alanında sürüklenen, bölgelerden biri için küçük olan yük taşıyıcıları, zaten ana taşıyıcı oldukları bölgeye düşerler. Çoğunluk taşıyıcılarının konsantrasyonu, komşu bölgedeki azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonunu genellikle önemli ölçüde aştığından (n n>> np ve p p >> p n), daha sonra, yarı iletkenin belirli bir bölgesindeki önemsiz miktarda ana yük taşıyıcılarının görünümü, pratik olarak yarı iletkenin denge durumunu değiştirmez.

Doğru akım akışı ile farklı bir resim elde edilir . Bu durumda, potansiyel engeli aşan ve azınlık taşıyıcıları oldukları yarı iletken bölgesine nüfuz eden çoğunluk yük taşıyıcılarından oluşan akımın difüzyon bileşeni baskındır. Bu durumda, azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonu, denge konsantrasyonuna kıyasla önemli ölçüde artabilir. Dengesiz taşıyıcıların tanıtılması olgusuna denir enjeksiyon.

Doğru akım geçtiğinde p-n- elektronik bölgeden delik bölgesine geçiş elektron enjeksiyonu, delik bölgesinden elektronik bölgeye delik enjeksiyonu olacaktır.

Basitlik için, ayrıca bir yarı iletkenin delik bölgesinden elektron bölgesine deliklerin enjeksiyonunu daha sonra ele alacağız, ardından elektron enjeksiyonunun karşı işlemine yapılan tüm sonuçları delik bölgesine genişleteceğiz. Uygulanırsa p-n- iletim yönünde voltaj geçişi (Şekil 3.13), daha sonra potansiyel bariyerin yüksekliği azalacaktır ve belirli sayıda delik içine girebilecektir. n- bölge.

Şekil3.13. Bağlantı yoluyla doğru akım akışının şeması

Bu deliklerden önce n- bölge elektriksel olarak nötrdü, yani. yeterince küçük hacimlerin her birinde pozitif ve negatif yükler n- alanlar sıfıra kadar toplandı.

enjekte edilen delikler R- alanlar n- alan, bazı pozitif uzay yükünü temsil eder. Bu yük, yarı iletkenin hacminde yayılan ve ana yük taşıyıcıları - elektronları harekete geçiren bir elektrik alanı yaratır. Delikler tarafından oluşturulan elektrik alanı, elektronları deliklere çeker, negatif alan yükü deliklerin pozitif alan yükünü telafi etmelidir. Bununla birlikte, enjekte edilen deliklerin uzay yükünün yakınındaki elektronların konsantrasyonu, bitişik hacimlerdeki konsantrasyonlarında bir azalmaya yol açacaktır, yani. elektriksel nötrlüğün ihlaline ve bu hacimlerde bir uzay yükünün ortaya çıkmasına.

Elektriksel olarak nötr bir yarı iletken içinde serbest yüklerin yeniden dağıtılması deliklerin alan yükünü telafi edemeyeceğinden, yarı iletkenin elektriksel nötr durumunu eski haline getirmek için, harici çıkıştan ek bir sayıda elektron girmelidir, toplam yük bu, enjekte edilen deliklerin toplam yüküne eşit olacaktır. Bir elektron ve bir delik, büyüklük olarak eşit ve zıt işaretli yüklere sahip olduğundan, yarı iletkenin kütlesine dış terminalden giren elektronların sayısı, enjekte edilen deliklerin sayısına eşit olmalıdır.

Böylece, görünümü ile aynı zamanda n- belirli sayıda enjekte edilen deliğin alanları - küçük dengesiz taşıyıcılar - aynı sayıda elektron görünür ana dengesizlik taşıyıcıları. Hem bunlar hem de diğer taşıyıcılar, termodinamik denge konsantrasyonundan farklı bir konsantrasyon oluşturdukları için dengede değildir.

Küçük dengesiz taşıyıcıların uzay yükünün, ana dengesiz taşıyıcıların uzay yükü tarafından telafi edilmesi süreci, olağanüstü hızlı ilerler. Bu işlemin yerleşme süresi dinlenme süresi ile belirlenir.

ve özdirenci 10 olan germanyum (ε = 16) içindir Ohm. santimetre, yaklaşık 10-11 sn. Sürecin kurulması bu nedenle anlık olarak kabul edilebilir.

Taşıyıcı konsantrasyonu doğrudan bağlantı noktasında yüksek olduğu için, bir konsantrasyon gradyanının varlığı nedeniyle taşıyıcılar, daha düşük konsantrasyonlar yönünde yarı iletken kütlesinin derinliklerine yayılacaktır. Aynı zamanda, rekombinasyon nedeniyle dengesiz taşıyıcıların konsantrasyonu azalacaktır, böylece konsantrasyonun toplam değeri denge değerine yönelecektir.

Şekil3.14. Denge dışı minör konsantrasyonunun dağılım eğrisi

pn bağlantısının elektronik bölgesindeki taşıyıcılar (delikler)

Denge dışı konsantrasyon, denge ana taşıyıcılarının konsantrasyonuna (düşük enjeksiyon seviyesi) kıyasla küçükse, o zaman denge dışı taşıyıcıların konsantrasyonundaki azalma, derinden yarı iletkene geçiş yönünde bir üstel olarak gerçekleşecektir. yasa (Şekil 3.14):

(3.23)

L taşıyıcıların yaşamları boyunca yayılmak için zamana sahip oldukları ortalama mesafeyi karakterize eder.

Geçişten yeterince uzakta bir noktada (x →¥ ) yük taşıyıcıların denge konsantrasyonu korunacaktır.

Düşük bir enjeksiyon seviyesinde, dengesiz taşıyıcıların konsantrasyonu n- arabirime yakın bölge, bağlantıya uygulanan voltajın büyüklüğüne katlanarak bağlı olacaktır:

(3.24)

(en sen= 0; artan pozitif değerlerle hızla artar U).

Bağlantıdaki voltaj değişikliğinin Δ ile olduğuna dikkat edin. sen içindeki dengesiz boşlukların konsantrasyonunda bir artışa yol açacaktır. n- alanlar, yani sorumlu bir değişiklik için. Voltajdaki bir değişikliğin neden olduğu yük değişikliği, bir kapasitansın eylemi olarak düşünülebilir. Bu konteyner denir yayılma , çünkü akımın bağlantı yoluyla difüzyon bileşenindeki bir değişiklik nedeniyle ortaya çıkar.

Şu sonuca varılabilir difüzyon kapasitansı, iletim akımı ile karşılaştırıldığında difüzyon akımı ihmal edilemediğinde, bağlantı yoluyla ileri akımlarda veya düşük ters voltajlarda kendini gösterecektir.

Difüzyon kapasitesini yükteki bir değişiklik olarak temsil ediyoruz Δ Q, buna neden olan voltaj değişikliği Δ ile ilgili sen:

ve kavşaktan geçen akımın difüzyon kapasitansı üzerindeki etkisini tahmin edin.

Azınlık dengesizlik taşıyıcılarının toplam yükü n- etki alanı (3.23) ifadesinin integrali alınarak elde edilebilir.

İdeal bir ters akımda, nispeten küçük bir ters voltajla bile, ikincisinin değerine bağlı değildir. Bununla birlikte, gerçek çalışmalarda, uygulanan voltajdaki bir artışla ters akımda oldukça güçlü bir artış gözlenir ve silikon yapılarda ters akım, termal akımdan 2-3 kat daha yüksektir. Deneysel veriler ile teorik veriler arasındaki bu farklılık, doğrudan bölgede hermetik yük taşıyıcı üretimi ve kanal akımlarının ve kaçak akımların varlığı ile açıklanmaktadır.

Kanal akımları, yüzeye yakın enerji bantlarını büken ve ters katmanların görünümüne yol açan yüzey enerji durumlarının varlığından kaynaklanmaktadır. Bu katmanlara kanal adı verilir ve ters katman ile komşu bölge arasındaki geçişten geçen akımlara kanal akımları denir.

Kapasiteler p-n-kavşağı.

Elektriksel iletkenliğin yanı sıra, bağlantının da belirli bir kapasitansı vardır. Kapasitif özellikler, sınırın her iki tarafında, safsızlık iyonları tarafından oluşturulan elektrik yüklerinin yanı sıra sınırın yakınında bulunan mobil yük taşıyıcılarının varlığından kaynaklanmaktadır.

Kapasitans iki bileşene ayrılır: yüklerin yeniden dağılımını yansıtan bariyer ve yakın yüklerin yeniden dağılımını yansıtan difüzyon. Bağlantının ileri önyargısında, difüzyon kapasitansı esas olarak kendini gösterirken, ters önyargıda (çıkarma modu), yakın (tabandaki) yükler çok az değişir ve bariyer kapasitansı ana rolü oynar.

Dış gerilim genişliği, uzay yükünün değerini ve enjekte edilen yük taşıyıcılarının konsantrasyonunu etkilediğinden, kapasitans uygulanan gerilime ve polaritesine bağlıdır.

Bariyer kapasitansı, bağlantıda olduğu gibi iki yüklü kapasitör plakası oluşturan donör ve alıcı kirlilik iyonlarının varlığından kaynaklanmaktadır. Blokaj voltajındaki bir değişiklikle, örneğin bir artışla, bağlantının genişliği artar ve hareketli yük taşıyıcıların bir kısmı (bölgedeki elektronlar ve bölgedeki delikler) bitişik katmanlardan elektrik alanı tarafından emilir. kavşak. Bu yük taşıyıcıların hareketi devrede bir akımı indükler.

tükenmiş bağlantı katmanının yükündeki değişiklik nerede. Bu akım, geçişin sınırlarını değiştirmenin geçici sürecinin sonunda sıfıra eşit olur.

Keskin bir geçişin değeri, yaklaşık ifadeden belirlenebilir.

alanı ve kalınlığı nerede.

Uygulanan ters voltaj U'daki bir artışla, geçiş kalınlığındaki bir artış nedeniyle bariyer kapasitansı azalır (Şekil 2.10, a).

Bağımlılığa kapasitans-voltaj özelliği denir.

pn bağlantısına doğrudan bir voltaj bağlandığında, azalma nedeniyle bariyer kapasitansı artar. Bununla birlikte, bu durumda, enjeksiyon nedeniyle yüklerin artışı önemli bir rol oynar ve - bağlantının kapasitansı, esas olarak kapasitansın difüzyon bileşeni tarafından belirlenir.

Difüzyon kapasitesi, enjekte edilen taşıyıcıların konsantrasyonundaki değişiklikler nedeniyle bölgelerde biriken mobil yük taşıyıcılarının konsantrasyonunun değiştirilmesinin fiziksel sürecini yansıtır.

Difüzyon kapasitesinin etkisi aşağıdaki örnekle açıklanabilir.

Taban bölgesine deliklerin enjeksiyonu nedeniyle ileri bir akımın geçmesine izin verin. Bazda biriken yük, bu akımla orantılı azınlık taşıyıcıları ve yarı iletkenin elektronötralliğini sağlayan çoğunluk taşıyıcılarının yükü tarafından oluşturulur. Uygulanan voltajın polaritesindeki hızlı bir değişiklikle, enjekte edilen deliklerin yeniden birleştirmek için zamanı yoktur ve ters voltajın etkisi altında yayıcı bölgeye geri döner. Ana yük taşıyıcıları ters yönde hareket eder ve güç rayı boyunca ayrılır. Bu durumda, ters akım büyük ölçüde artar. Yavaş yavaş, tabandaki ek boşluk yükü, elektronlarla yeniden birleşmeleri nedeniyle kaybolur (çözünür) ve - bölgeye geri döner. Ters akım statik bir değere düşürülür (Şekil 2.10. b).