Инжекция неосновных носителей. Диффузионная и зарядная емкости

Инжекцией называется процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область, где эти носители являются неосновными. Вследствие рекомбинации инжектированных носителей с основными, для данной области, их концентрация убывает по мере удаления от p-n перехода (рис. 9), поэтому инжектированнные носители обладают ограниченным временем жизни t.

В тех местах, где находятся не успевшие рекомбинировать инжектированные носители, условие p n > n ² _i не выполняется. Возникает неравновесное состояние, а инжектирован-ные носители носят название неравновесных.

На рис.9 показано примерное распределение концентрации неравновесных носителей (заштриховано). Для случая бесконечно тонкого и несимметричного p-n перехода (p_p >> n_n)

Рис.9. Распределение неравновесных носителей заряда: а – распределение концентрации неравновесных носителей; б – схема p-n перехода

, распределение определяется формулой

, (1.16)

где – концентрация дырок в n -области на границе с p -областью при инжекции;

– концентрация неравновесных носителей на границе;

– концентрация дырок в глубине n - области;

L_p – диффузионная длина пробега дырок в n - области. Она равна расстоянию, на котором концентрация дырок, инжектируемых в n - облaсть, убывает вследствие рекомбинации в e раз:

, (1.17)

где – коэффициент диффузии;

t _p – время жизни.

Все сказанное относится и к инжекции электронов.

Инжекция неосновных носителей не приводит к нарушению электронейтральности областей, куда они вводятся, поскольку из внешней цепи поступают дополнительные носители, компенсирующие возможный избыток (цепочка рекомбинаций).

При протекании через переход прямого тока около перехода в p - и n -областях происходит накопление неравновесных носителей. Они образуют пространственные заряды соответствующих знаков. Эти заряды притягивают и удерживают пространственные заряды обратных знаков, создаваемые основными носителями этих областей.

Увеличение прямого напряжения приведет к увеличению концентрации неравновесных и индуцированных зарядов. Это эквивалентно наличию некоторой емкости, получившей название диффузионной.

Изменение напряжения на p-n переходе DU вызывает приращение диффузионного тока, а это приводит к увеличению концентрации неравновесных и индуцированных зарядов DQ.

Если быстро сменить полярность внешнего источника, то в начальный момент во внешней цепи появится значительный обратный ток, обусловленный процессом рассасывания неравновесных носителей заряда. Затем обратный ток станет равным I ₀.Это аналогично разряду диффузионной емкости. Ее перезарядки не происходит, поскольку при отсутствии тока диффузии эта емкость исчезает. Для несимметричного p-n перехода (p_p >> n_n) эта емкость равна

. (1.18)

При t _p = 5 мкс; I_{p диф} = 10 мА; C _диф» 2 мкФ.

Область пространственного заряда p-n перехода имеет двойной электрический слой: из положительно заряженных доноров и отрицательно заряженных акцепторов. Этот слой образует зарядную емкость

_, (1.19)

где e – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла;

e₀ – диэлектрическая постоянная;

S _p-n – площадь перехода;

d _p-n – ширина запирающего слоя.

Зависимость этой емкости от внешнего напряжения

, (1.20)

где – зарядная емкость p-n перехода при U = 0. При прямом смещенииширина p-n перехода уменьшается, C _заррастет. При обратном – наоборот. При прямом смещении C _зар < C _диф, при обратном – C _зар >> C _диф»0.

1.4. Пробой p-n перехода

При превышении допустимых значений напряжений и токов происходит пробой p-n перехода. Различают электрический и тепловой пробой.

Электрический пробой обусловлен тем, что в сильно легированном полупроводнике критическая напряженность электрического поля приводит к увеличению числа пар носителей заряда и росту обратного тока. Электрический пробой бывает лавинным и туннельным.

Лавинный является следствием ударной ионизации атомов кристалла. Носители заряда, попавшие в область пространственного заряда p-n перехода, под действием сильного электрического поля приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристалла. Этот пробой возникает в p-n переходах, толщина которых больше средней длины свободного пробега носителей между их очередными столкновениями с узлами кристаллической решетки. Наблюдается при обратных напряжениях больше 15 В.

Рис. 10. Туннельный пробой p-n перехода

Туннельный пробой возникает в сильнолегированных полупроводниках при тонком p-n переходе, при напряжениях до 7 В. Сильное электрическое поле создает условия для перехода валентных электронов из p -области непосредственно в зону проводимости n -области (рис.10). Электрический пробой обратим.

Тепловой пробой p-n перехода возникает в результате нарушения равновесия между выделяемым в переходе и отводимым от него теплом. С ростом обратного напряжения и тока растет выделяемая мощность и температура перехода. От этого растет обратный ток и еще больше растет мощность. Далее происходит лавинообразный рост температуры, локальный разогрев, расплавление и переход разрушается необратимо.

ГЛАВА 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ