Электронно-дырочный переход. Идеальный p-n переход

1.

Электроника
Тема лекции: Электронно-дырочный переход
§ 4 Идеальный p-n переход
Лекторы:
Елфимов Вячеслав Ильич
к.т.н., профессор каф. РЭИС
Дурнаков Андрей Адольфович
ст. преподаватель каф. РЭИС
Разработчики:
Елфимов В.И., Дурнаков А.А.

2.

Идеальный p-n переход
Идеальным, или идеализированным p-n переходом
называется такой p-n переход, который представляет
собой упрощенную модель реального p-n перехода, для
которой приняты следующие допущения:
Все подводимое напряжение приложено и падает
непосредственно на p-n переходе.
Ширина p-n перехода пренебрежимо мала.
U
обр
U
пробоя
Границы p-n перехода являются плоскими, носители
заряда
движутся
только
в
направлении,
перпендикулярном этим границам, краевые эффекты не
учитываются.
2

3.

Идеальный p-n переход
Толщины нейтральных областей много больше
диффузионной длины неосновных носителей заряда
в этих областях.
Уровень инжекции мал, т.е. при любом значении тока
через переход концентрация основных носителей
заряда много больше концентрации неосновных
носителей заряда.
Изменение концентрации неосновных носителей
заряда в областях за границами перехода при
небольшом прямом напряжении не нарушает
электрической нейтральности этих областей.
3

4. Физические процессы при прямом напряжении на p-n переходе

Идеальный p-n переход
Физические процессы при прямом напряжении на p-n
переходе
Схема движения основных носителей заряда
4

5.

Идеальный p-n переход
Стационарные распределения избыточной
концентрации неосновных носителей заряда
определяются из уравнения диффузии:
d 2n
p
D
n dx2
(n n )
p
p0
0
n
Это дифференциальное уравнение описывает
диффузионное движение электронов в дырочном
полупроводнике с учетом рекомбинации.
Решение уравнения диффузии для p-области имеет
вид:
n ( x) n (0) exp( x L )
p
p
n
для n-области:
p n ( x) p n (0) exp( x
Lp)
5

6.

Идеальный p-n переход
Распределения избыточных концентраций носителей заряда
6

7.

Идеальный p-n переход
Плотность тока диффузии на границе p-n перехода:
I S i (0) q S D n (0)
n
Dn
n
p
L
n
I S i (0) q S D p (0)
p
Dp
p
n
L
p
Ток через p-n переход опишется вольтамперной
характеристикой идеального перехода:
I I I I 0 exp[U ] 1
n
p
T
***
***
I qS ( D p / L D n / L )
0
p n0 p
n p0 n
Коэффициент инжекции характеризует
относительную роль главной составляющей тока в
переходе:
I p (0)
I p (0)
Э
I (0)
I p (0) I n (0)
1
Б
7

8.

Идеальный p-n переход
Теоретическая ВАХ p-n перехода
8

9.

Идеальный p-n переход
Параметры прямой ветви ВАХ –
дифференциальное сопротивление
перехода:
rпер dU dI T I
сопротивление постоянному току
I
T
Rпер U I ln( 1)
I
I0
Для обратной ветви ВАХ :
rпер
Rпер U обр
I0
9

10.

Идеальный p-n переход
I
Iпр А
ΔI
А
ΔU
Uобр В
I0
Uпр A
U
В
Определение сопротивлений перехода
10

11. Вольт-фарадная характеристика p-n перехода

Идеальный p-n переход
Вольт-фарадная характеристика p-n перехода
Идеальный электронно-дырочный переход
можно
рассматривать
как
плоский
конденсатор, емкость которого определяется
соотношением:
Сбар = εS/l
Cбар S
qNа N д
2 Uк Uобр
N
а
Nд
.
11

12.

Идеальный p-n переход
Cбар
C0
Uобр
0
Uпр
Вольт-фарадная характеристика p-n перехода
12

13.

Идеальный p-n переход
Для диффузионной емкости:
Cдиф Cдифр Cдифn
(qS / т )( Ln n p0 Lp pn0 )exp(U пр / т ).
13

14.

Идеальный p-n переход
Cбар, Cдиф,
пФ
мкФ
Cдиф
100
10
Cбар
0,4
U, B
Зависимость барьерной и диффузионной емкостей p-n
перехода от напряжения
14

15. Выводы

Идеальный p-n переход
Выводы
1. Ток насыщения с ↑T растет экспоненциально, так как
экспоненциально возрастает концентрация неосновных
носителей заряда (приближенно: ток насыщения
увеличивается в 2 раза на каждые 10 С).
2. Прямая ветвь ВАХ p-n перехода с ↑T смещается влево:
возрастает тепловая энергия основных носителей заряда,
снижается высота потенциального барьера, следовательно
растет число носителей заряда, энергия которых больше
высоты потенциального барьера p-n перехода.
3. С ростом степени легирования происходит уменьшение
тока I0.
15

16. Выводы

Идеальный p-n переход
Выводы
4. Нелинейность ВАХ : прямая ветвь – rпер<< Rпер; обратная
ветвь – Rпер << rпер → ∞.
5. В динамическом режиме p-n переход является
инерционным элементом по отношению к быстрым
изменениям тока или напряжения и обладает барьерной
емкостью, отражающую перераспределение зарядов в
переходе, и диффузионной емкость, отражающую
перераспределение носителей зарядов в базе.
16