Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Во всех предыдущих рассуждениях мы не учитывали нескольких важных обстоятельств. Во-первых, мы везде пренебрегали током смещения по сравнению с конвекционным током. Однако на очень
р — л-ПЕРЕХОД ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ
281
высоких частотах им пренебрегать не всегда возможно. Наличие тока смещения можно учесть, если приписать р—/г-переходу дополнительную, «зарядную» емкость, уже рассмотренную нами в § VI. 11. Во-вторых, мы не учитывали обычное сопротивление р- и «-областей (базы диода), обусловленное соударениями электронов и дырок с решеткой. Поэтому эквивалентная схема реального диода с р — /г-переходом имеет вид, показанный на рис. 8.3, б. Здесь С — зарядная емкость, а г—активное-сопротивление базы.
В-третьих, мы считали, что толщины р- и /г-областей dp и dH достаточно велики: dp > Ln, dn> Lp, так что все избыточные носи-, тели заряда успевают рекомбинировать, не достигая электродов. Если это не так, то полученные формулы уже неприменимы. В этом
Hh
-w
я
а)
%
---II--- г
/ и г
II
с
б)
Рис. 8.3. Эквивалентная схема идеального (а) и реального (б) р — я-перехода при малом переменном напряжении.
случае статическая характеристика и полная проводимость на переменном токе существенно зависят от свойств электродов (от темпа рекомбинации на -границе база — металлический электрод).
Наконец, в-четвертых, полученные результаты теряют силу, если амплитуда переменного напряжения не мала (нарушается неравенство aWi-^1). Мы не будем останавливаться на этих случаях (см., например, [1]), а только отметим один интересный результат. При большом уровне инжекции, бр!(пп + рп) 1, сопротивление базы уже не остается постоянным, а существенно модулируется заливающими ее инжектированными носителями. Этот эффект; может привести к тому, что ж>лебания напряжения будут не отставать от колебаний тойа (как при малых напряжениях), а их опережать. Иначе говоря, р—/г-переход будет вести себя как некоторая индуктивность.
Вследствие сильной нелинейности вольтамперной характеристики р—/г-переходы широко применяются для выпрямления технических переменных токов и для детектирования и преобразования частоты сигналов высокой и сверхвысокой частот в радиоприемных устройствах. Формулы (2.8) и (2.9) позволяют исслеДовать зависимость величины выпрямленного тока от параметров материала,
282 ВЫПРЯМЛ. И УСИЛЕН. С ПОМОЩЬЮ р — «-ПЕРЕХОДОВ [ГЛ. VIII
а также определить предельную рабочую частоту диода. Однако изложение этих вопросов относится уже к теории полупроводниковых приборов и выходит за рамки этой книги.. Отметим лишь, что в высокочастотных диодах площадь контакта следует делать по -возможности малой и уменьшать сопротивление базы.
Напротив, в мощных выпрямителях переменного тока низкой частоты площадь р—«-перехода должна быть большой для увеличения силы тока. Такие выпрямители должны еще выдерживать большие обратные напряжения без наступления явлений пробоя. Для этого оказывается выгодным увеличивать толщину переходного слоя (разумеется, до известного предела). Это реализуется, например, в структурах р-область — собственный полупроводник — «-область (р—i—«-структуры). Для создания мощных выпрямителей широко применяют также более сложные системы, содержащие несколько р—«-переходов.
§ 3. Туннельный эффект в р — л-переходах.
Туннельные диоды
Если в р- и «-областях р — «-перехода увеличивать концентрацию мелких примесей, то при концентрациях электронов и, соответственно, дырок ~1018 -г- 1019 см-3 возникают новые явления. А именно, начальная часть прямой ветви вольтамперной характеристики становится немонотонной и на ней возникает падающий участок (ток уменьшается при увеличении напряжения). В этой области напряжений дифференциальная проводимость перехода Оа = = di/du отрицательна. Причина такой зависимости тока от напряжения заключается в том, что при увеличении концентрации носителей толщина потенциального барьера в р—«-переходе уменьшается (ср. § VI.9) и при указанных концентрациях становится сравнимой с длиной волны де Бройля (— 10~6 см при комнатной температуре). Вместе с тем возрастает напряженность электрического поля в переходе. В результате становится заметной вероятность туннельных переходов электронов и дырок из одной зоны в другую (§ IV.6). Соответственно диоды с р—«-переходами рассматриваемого типа называют туннельными.
Происходящие в них явления качественно поясняй1 рис. 8.4, на котором изображены энергетические диаграммы сильно легированного р—«-перехода при различных напряжениях; р- и п-области вырождены, так что уровень Ферми в «-области F(n) лежит внутри зоны проводимости и удален от ее края на некоторую величину Д„, а уровень Ферми в p-области F{p) — внутри валентной зоны, ниже ее края на Ар (рис. 8.4, а). В отсутствие внешнего напряжения F(n) = F(P) и результирующий ток равен нулю. При отрицательном внешнем напряжении (рис. 8,4, б, «+» на «-области) все энергии в «-области понижаются относительно p-области и электроны
