Задачи по физике твердого тела - Голдсмид Г. Дж.
Скачать (прямая ссылка):
поля, так как это отвечало бы нереальному условию /е = - Ыл, где b =
\ie/\ih. По этой причине в случае преимущественно диффузионного потока
неосновные носители заряда диффундируют так, как если бы они одни
присутствовали в системе, в то время как основные носители только
обеспечивают зарядный фон, необходимый для нейтральности.
14.7. Если к р -л-переходу приложить внешнее смещение V, то это вызывает
нарушение равновесных концентраций вблизи области объемного заряда. При
смещениях, достаточно иизких для того, чтобы расщепление квазиуровней
Ферми было намного меньше УДИф,
372
для избыточных концентраций Арь и Апа у краев области объемного заряда
имеем (см. (14.4.3)):
(14.7.1)
В случае прямого смещения потенциал V положителен, избыточные неосновные
носители заряда, инжектированные через р - я-переход, точно
нейтрализуются всюду соответствующим зарядом основных носителей,
поступающих через задний контакт. Поток неосновных носителей можно
приближенно описать как диффузию в отсутствие поля (ср. с задачей 14.6),
так что ток пропорционален созданным концентрациям Апа и Арь, поэтому
можно записать идеализированное соотношение
где /0 - константа, зависящая от геометрических и физических параметров
прибора.
Вольт-амперная характеристика столь идеальной формы редко встречается у
реальных переходов; чаще прямая характеристика имеет вид
где 1 <а<2. В действительности график In/ в зависимости от V может
оказаться не прямой, а извилистой линией, средний тангенс угла наклона
которой соответствует e/akT.
Есть два механизма, которые, как можно показать, приводят к тангенсу угла
наклона, равному е/2 kT. Первый имеет место в начале сильной инжекции.
Второй, пригодный при низких прямых смещениях в кристаллах, подобных
кремнию (имеющих относительно большую ширину запрещенной зоны),
обусловлен рекомбинацией в области объемного заряда.
В кристаллах с достаточно широкой запрещенной зоной концентрации
неосновных носителей заряда пр и рч очень малы, и поэтому диффузионные
токи для данного прямого смещения намного меньше, чем в кристалле с
относительно небольшой шириной запрещенной зоны. С другой стороны,
конечное расщепление квазиуровней Ферми в области объемного заряда
подразумевает конечную рекомбинацию, которая, как можно показать,
увеличивается как ехр (eVj2kT). Это означает, что в область
пространственного заряда со стороны области я-типа входит электронный ток
больший, чем уходит из этой области со стороны области р-типа.
При очень высоких прямых смещениях, больших чем КДИф, могут возникать два
предельных случая. В одном из этих случаев переход достаточно узок для
того, чтобы рекомбинация была относительно небольшой, и, следовательно,
инжектированные концентрации носителей заряда будут везде преобладающими.
Перенос включает конечные поля (задача 14.6), и можно показать
теоретически и подтвердить экспериментально, что
/ = /0 [ехр {eVjkT) - 1],
(14.7.2)
/ ~ехр (eVjctkT),
373
характеристики имеют вид
I~{V-Vm ф)а.
Наоборот, диод может иметь широкие области р- и п-типа, так что
рекомбинация является почти полной. В этом случае омическое падение
потенциала IR на немодулированном объемном сопротивлении R прибора
является преобладающим, и тогда эффективное смещение у перехода есть
Vt=V-IR,
в пределе характеристика становится линейной, пересекая ось напряжений в
точке УДНф.
14.8. При обратном смещении на р - л-переходе возникают отрицательные
избыточные концентрации Дпа = - пр и Лрь = - р" (см. (14.4.3)); другими
словами, в этом случае полные концентрации неосновных носителей равны
нулю. Это приводит к обеднению неосновных носителей в областях шириной в
несколько диффузионных длин и возникновению генерации, которая приводит к
восстановлению равновесных концентраций.
Процесс генерации является обратным по отношению к процессу рекомбинации.
Обратный ток в результате этого механизма насыщается, так как запас
носителей зависит от времен их жизни и концентраций пр и р" в двух
областях, ни одна из которых не зависит от обратного смещения. Величина
этого генерационного тока соответствует переносу концентрации пр на
расстояние Le. Для германия при комнатной температуре типичные значения
следующие: пр= 1011 см 3 (соответствующая концентрация основных носителей
рр= 1015 см 3), Le = 0,10 мм (соответствующее время жизни 1 мкеек), De =
100 см2 сект1. Получаем обратный ток электронов из р-области
Пр 1,6-10-к ¦ 10* ¦ 10"
Iнасыщ - iq- з 10 ¦ CM
Соответствующим током дырок из n-области можно было бы пренебречь, если
бы область л-типа была легирована намного сильнее и имело место условие
р" пр. Однако любой механизм, который увеличивает запас носителей в
области объемного заряда при обратном смещении, вызовет увеличение
обратного тока выше предельной величины. Например, в транзисторе эмиттер
увеличивает подачу носителей к обратно смещенному коллекторному переходу.
В этом случае при повышенном уровне инжекции ток обычно остается
