« poprzedni punkt | następny punkt » |
Większość elementów półprzewodnikowych (diody, tranzystory bipolarne itp.) wykorzystują różnego rodzaju złącza.
Definicja 6.6. Złączem nazywa się atomowo powiązany styk dwóch kryształów ciała stałego o odległości miedzy stykającymi się obszarami porównywalnej z odległością miedzy atomami w kryształach.
Najszersze zastosowanie w elektronice maja złącza:
Do pierwszych zaliczamy złącza dwóch półprzewodników o różnym typie przewodnictwa: złącza p-n, złącza dwóch półprzewodników tego samego typu, ale o różnej koncentracji domieszek: złącza obszarów n-n+; p-p+, oraz złącza różnorodnych półprzewodników np.: krzem-german inaczej heterozłącza.
Omówione zostanie teraz bardziej szczegółowo złącze p-n, jako powszechnie stosowane złącze w elementach dwuzaciskowych.
Definicja 6.7. Złączem p-n nazywamy warstwę przejściową miedzy obszarem półprzewodnika typu p i półprzewodnika typu n.
Domieszka akceptorowa w obszarze typu p sprawia, że koncentracja dziur w tym obszarze jest większa niż elektronów (przewodnictwo dziurowe). Natomiast domieszka donorowa w obszarze typu n prowadzi do przewagi elektronów w tym obszarze (przewodnictwo elektronowe). Dziury w p i elektrony w n są nośnikami większościowymi. Przed zetknięciem każdy z tych obszarów jest elektrycznie obojętny.
Po zetknięciu dwóch obszarów p i n (rys. 6.7.) w pobliżu płaszczyzny złącza istnieją gradienty koncentracji dziur i elektronów. Różnica koncentracji nośników ładunków powoduje ich przemieszczanie - dyfuzję. Elektrony z obszaru przyzłączowego n dyfundują do obszaru p, podobnie dziury z obszaru przyzłączowego p przechodzą do obszaru n (rys. 6.7a). Prądy dyfuzyjne Ipd dziur i Ind elektronów są proporcjonalne do gradientów koncentracji domieszek.
Rys. 6.7. Złącze p-n bez polaryzacji
Nośniki przedostające się do przeciwnych obszarów stają się nadmiarowymi nośnikami mniejszościowymi w tych obszarach. Rekombinują one z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. W wyniku tego w n powstaje nadmiar jonów dodatnich (donorów), a w obszarze p powstaje nadmiar jonów ujemnych (akceptorów). Są to ładunki jonów nieruchomych, ulokowanych w węzłach sieci krystalicznej. W obszarach przyzłączowych powstaje więc podwójna warstwa ładunków nieskompensowanych. Nazywa się ona obszarem ładunku przestrzennego (warstwą zaporowa lub obszarem zubożonym), w którym nie ma praktycznie ładunków większościowych (rys. 6.7b).
Po utworzeniu warstwy zaporowej przepływ nośników większościowych zostaje zahamowany. Ładunek przestrzenny dodatni po stronie n hamuje przepływ dziur z obszaru p do n, natomiast ładunek ujemny utworzony po stronie p hamuje przepływ elektronów z obszaru n do p.
Tworzy się pole elektryczne reprezentowane przez barierę potencjałów (rys. 6.7c). Wysokość bariery nazywa się napięciem dyfuzyjnym
![]() | (6.6) |
gdzie: q - ładunek elektronu, k - stała Boltzmana, T - temperatura, Na - koncentracja akceptorów, Nd - koncentracja donorów, ni - koncentracja samoistna półprzewodnika.
Przykładowo, napięcie dyfuzyjne wynosi w temperaturze otoczenia: dla złączy krzemowych UD » (0,6 ¸ 0,8) V; dla złączy germanowych UD » (0,1 ¸ 0,3) V i zmniejsza się przy wzroście temperatury o około 2,3 mV/0K.
Pole elektryczne wytworzone przez ładunek przestrzenny sprzyja natomiast przepływowi nośników mniejszościowych. Oprócz prądów dyfuzyjnych nośników większościowych przez złącze płyną prądy unoszenia nośników mniejszościowych Ipu oraz Inu. W kierunku przeciwnym do prądów dyfuzyjnych. Stan równowagi złącza występuje wtedy, gdy liczba unoszonych nośników mniejszościowych jest równa liczbie dyfundujących nośników większościowych, a więc
Ipd + Ipu = 0 i Ind + Inu = 0 | (6.7) |
Powstanie ładunku przestrzennego w modelu energetyczno-pasmowym złącza (rys. 6.7d) odpowiada przesunięciu położenia pasm energetycznych. Różnica energii jest proporcjonalna do napięcia dyfuzyjnego. Poziom Fermiego dla obu części półprzewodnika ma natomiast położenie jednakowe.
Szerokość warstwy zaporowej d zależy od koncentracji domieszek po obu stronach złącza i napięcia dyfuzyjnego
![]() | (6.8) |
przy czym: e - przenikalność elektryczna półprzewodnika.
Najczęściej szerokość warstwy zaporowej wynosi d = (0,1 ¸ 0,5) mm. Jeżeli koncentracja domieszek pierwszego obszaru jest mniejsza niż drugiego, to głębiej w ten obszar wnikną ładunki z obszaru drugiego i szerokość d2 > d1.
Doprowadzenie z zewnątrz napięcia do złącza (rys. 6.8) zakłóca stan równowagi elektrycznej. Dla większości złączy można przyjąć, że całe przyłożone napięcie przypada na obszar ładunku przestrzennego.
Rys. 6.8. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia
Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia ( "+" do obszaru p, a "-" do obszaru n) napięcie dyfuzyjne ulega zmniejszeniu
UD' = UD - U < UD | (6.9) |
oraz maleje szerokość warstwy zaporowej. Zmniejszenie bariery potencjału powoduje wzrost prądu dyfuzyjnego. Prądy unoszenia pozostają praktycznie niezmnienione. W wyniku zwiększenia składowej dyfuzyjnej prądu, w obwodzie zewnętrznym płynie prąd
![]() | (6.10) |
gdzie: Is - jest prądem nasycenia złącza, zależnym od stałych fizycznych, materiałowych i konstrukcyjnych złącza, a UT - potencjałem termodynamicznym
![]() | (6.11) |
Wartość potencjału termodynamicznego przy T = 300 0K wynosi UT » 26 mV.
Przy odwrotnej polaryzacji złącza zwanej polaryzacją wsteczną (rys. 6.9) napięcie zewnętrze ma kierunek zgodny z napięciem UD i dodaje się do niego
UD'' = UD + U > UD | (6.12) |
Następuje więc dalszy odpływ ładunków swobodnych z obszaru otaczającego warstwę zaporową.
Rys. 6.9. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku wstecznym
Zwiększa się bariera potencjału i szerokość warstwy zaporowej, co powoduje zmniejszenie dyfuzji nośników. Wpływa to na znaczące zmniejszenie koncentracji nośników wprowadzanych do drugiego obszar złącza i prądy dyfuzyjne praktycznie nie istnieją. Bariera ta nie stanowi przeszkody dla przepływu prądu unoszenia - prądu wstecznego. Jest on jednak niewielki, wynosi (10-6 ¸ 10-12) A i bardzo nieznacznie zależy od przyłożonego napięcia. Prąd wsteczny wyraża się również zależnością (6.10), ale U < 0.
Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n ma postać przedstawioną na rys. 6.10.
Rys. 6.10. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n
Przy polaryzacji złącza w kierunku wstecznym, jeżeli obszar ładunku przestrzennego jest szeroki pojawia się prąd jonizacji lawinowej, którego wartość znacznie rośnie przy zbliżaniu się do wartości napięcia przebicia lawinowego UL.
Przy małych sygnałach złączu p-n przyporządkowuje się schemat zastępczy pokazany na rys. 6. 11.
Rys.6.11. Schemat zastępczy małosygnałowy złącza p-n
W schemacie tym g oznacza konduktancję dynamiczną, wynikającą z nachylenia charakterystyki statycznej, równą
![]() | (6.13) |
Elementy Ru i Rs reprezentują rezystancję upływu oraz rezystancję szeregową półprzewodnika i doprowadzeń. Wpływ rezystancji Rs (zwykle rzędu ułamka oma) jest istotny przy pracy w kierunku przewodzenia, zwłaszcza przy dużych prądach, natomiast rezystancji Ru (rzędu megaomów i więcej) w kierunku wstecznym. W warunkach dynamicznych tj. przy szybkich zmianach napięcia doprowadzanego do złącza pojawi się prąd przesunięcia, związany ze zmianą ładunku magazynowanego w złączu. Zmiany ładunku można interpretować jako istnienie w schemacie pojemności Ct i Cd. Pojemność dyfuzyjna Cd odgrywa rolę przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Pojemność złączowa lub pojemność warstwy zaporowej Ct jest istotna przy pracy w kierunku wstecznym. Obie pojemności są funkcjami doprowadzonego napięcia.
« poprzedni punkt | następny punkt » |