Файл: Лекция 8 микроэлектроника.doc

Контактная разность потенциалов с ростом температуры уменьшается, т.к. при высоких температурах уровень Ферми стремится к середине запрещенной зоны и qφ_к стремится к нулю.

Поэтому стремятся использовать полупроводниковые материалы с большей запрещенной зоной (Si, GaAs, SiC).

Рис. 5.8. Изменение ВАХ при повышении температуры

5.3 Влияние генерационно-рекомбинационных процессов на вах pn-перехода.

При вводе ВАХ pn-перехода предполагалось, что генерацией носителей заряда в обедненной области шириной W можно пренебречь. Это условие действительно справедливо для полупроводников, ширина запрещенной зоны которых невелика (например, в Ge). Однако для таких материалов как Si и GaAs генерационно-рекомбинационный ток в ОПЗ может быть сравним с током насыщения диода, создаваемым неосновными носителями, и даже превосходить его.

Наибольшую роль в генерационно-рекомбинационных процессах играют центры захвата (ловушки), энергетические уровни которых расположены вблизи середины запрещенной зоны полупроводника.

При прямом смещении pn-перехода высота потенциального барьера снижается, поток основных носителей из квазинейтральных областей возрастают и внутри ОПЗ процессы рекомбинации преобладают над процессами генерации носителей.

При обратном смещении pn-перехода высота потенциального барьера увеличивается, ОПЗ обеднен основными носителями, процессы генерации преобладают над процессами рекомбинации. В результате тепловой генерации электронно-дырочных пар в ОПЗ образуется ток генерации, который складывается с током насыщения.

Ширина ОПЗ зависит от смещения:

(5.17)

Следовательно, весь объем ОПЗ при прямом смещении уменьшается, а при обратном смещении увеличивается. В соответствии с этими изменениями объема изменяется вклад генерационно-рекомбинационных процессов.

Согласно теории генерационно-рекомбинационного тока ВАХ описывают соотношением:

(5.39)

где m2 – параметр, зависящий, от характера распределения примесей вpn-переходе.

(5.40)

где n_i – концентрация носителей заряда в ОПЗ (допускается, что его проводимость близка к собственной), τ_e_ff – эффективное время жизни электронно-дырочных пар в ОПЗ, W(V_см) – ширина ОПЗ.

Для оценки эффективного времени жизни носителей в ОПЗ можно воспользоваться следующей формулой:

(5.41)

Для многих практических случает можно использовать следующие формулы:

- прямое смещение pn-перехода:

(5.42)

- обратное смещение pn-перехода:

(5.43)

Таким образом, общий ток идеального pn-перехода равен сумме диффузионной (5.37) и генерационно-рекомбинационной компонент и (5.39) (рис. 5.9).

Рис. 5.9

5.4 Барьерная емкость pn-перехода

Как следует из распределения концентрации свободных носителей, в ОПЗ резко падают, сопротивление ОПЗ велико по сравнению с квазинейтральными областями, то есть pn-переход обладает свойствами конденсатора. Барьерная емкость ступенчатого pn-перехода с площадью S может быть определена по формуле:

(5.44)

где ε₀ – диэлектрическая постоянная, ε_s – диэлектрическая проницаемость полупроводника, W – ширина ОПЗ.

Соответствующая зависимость барьерной емкости от напряжения, показана на рис. 5.10.

Рис. 5.10

Емкость pn-перехода может изменяться в значительных пределах, что позволило использовать это свойство в варикапах.

5.5 Диффузионная емкость pn-перехода

При прямом включении pn-перехода носители диффундируют через барьер и накапливаются в соседней области. Количество инжектированного в соседнюю область заряда зависит от величины приложенного к pn-переходу напряжения. Изменение инжектированного заряда при изменении приложенного напряжения может характеризоваться емкостью, которую принято называть диффузионной.

C _диф = dQ/dV.

(5.45)

где Q – инжектированный заряд.

(5.50)

Диффузионная емкость pn-перехода тем больше, чем больше прямой ток и время жизни неосновных носителей заряда, т.е. от глубины проникновения носителей заряда в соседнюю область.

Полная емкость pn-перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостей. При прямых напряжениях барьерная емкость много меньше диффузионной, а при обратных напряжениях она значительно превышает ее. Соотношения между барьерной и диффузионной емкостью определяют частотные зависимости pn-перехода.

5.6 Пробой pn-перехода

При увеличении напряжения на pn-переходе при достижении некоторого напряжения пробоя V_проб начинается резкое возрастание тока, которое может привести к физическим изменениям структур и выходу pn-перехода из строя. Существует три основных механизма пробоя: лавинный, туннельный и тепловой (Рис. 5.11).

Рис. 5.11. ВАХ обратной ветви pn-перехода в случае лавинного, туннельного и теплового пробоя

5.6.1 Лавинный пробой pn-перехода

Рассмотрим случай однородного электрического поля в полупроводнике. Если двигаясь вдоль силовых линий электрического поля электрон на расстоянии, равном длине свободного пробега l_св, наберет энергию, равную либо большую, чем , то этот электрон может вызвать генерацию еще одной электронно- дырочной пары. Вновь образованные носители, разгоняясь в электрическом поле, принимают участке в дальнейшем образовании электронно-дырочных пар. Процесс нарастания числа носителей со временем носит лавинный характер, поэтому этот тип пробоя и называют лавинным. На рис. 5.12 показана схема, иллюстрирующая лавинный пробой.

Рис. 5.12. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в однородном полупроводнике:

а) распределение электрического поля, доноров и акцепторов и свободных носителей;

б) распределение токов; в) зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение в ОПЗ

Размеры геометрической области полупроводника W, в которой происходит лавинное умножение, должны быть существенно больше длины свободного пробега электрона l_св. Соотношения, определяющие условие лавинного пробоя, будут следующие:

(5.51)

Одним из параметров лавинного пробоя является коэффициент лавинного умножения M, определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля, для которого справедливо следующее эмпирическое соотношение Миллера:

(5.52)

где J₀ – ток до умножения (равный сумме тока насыщения и генерационного), n – коэффициент, который зависит от материала и профиля легирования pn-перехода, этот коэффициент может иметь значения от 1 до 6.

Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования p- и n-областей. Так, например для резкого кремниевого p⁺n-перехода (p⁺- означает сильное легирование p-области) зависимость напряжения пробоя от степени легирования n-области имеет вид:

(5.53)

где E_g – ширина запрещенной зоны в эВ, N – концентрация примеси в слаболегированной области, см^-3. Соответствующая зависимость напряжения пробоя от степени легирования для резкого несимметричного перехода для pn-переходов, изготовленных из разных материалов, показана на рис. 5.13.