Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
в/см) к полной ширине запорного слоя равно 104/4• 105=2,5%. Таким
образом, область малого поля оказывает очень слабое влияние на время
пролета носителей через запорный слой.
3. Эффекты, связанные с пространственным зарядом носителей и с
температурой. Значения пробивных напряжений, показанные на рис. 5 и 6 (а
также в гл. 3 для р-п перехода), .справедливы для комнатной температуры
(при соблюдении условий, обеспечивающих изотермичность) и получены без
учета пространственного заряда но-
Nf у атомов /с м.3
Рис. 10. Зависимость толщины слоя умножения ха и падения напряжения Uа "а
слое умножения от концентрации примесей Ni в n-области для германиевых и
кремниевых диодов. Зависимости ¦справедливы для диодов с резким переходом
и диодов Рида '[JI. 7].
сителей тока. Однако в рабочем режиме на л а в и вн о -п р о л етн ы й
диод подается смещение, достаточное для достижения развитого пробоя, и
плотность тока в нем обычно очень высокая. Это приводит к значительному
повышению температуры перехода и к заметному влиянию пространственного
заряда носителей.
Коэффициенты ударной ионизации электронов и дырок убывают с ростом
температуры |[Л. '8], так что в лавинн-о-пролетном диоте с заданным
распределением концентрации примеси при повышении температуры пробивное
напряжение будет возрастать. С ростом постоянной мощности (произведение
обратного напряжения на обратный ток) происходит повышение температуры
перехода и пробивного напряжения. Иногда ди-од выходит из строя главным
образом из-за остаточных изменений, которые связаны с избыточным
разогревом в отдельных локализованных точках. Таким образом, повышение
температуры перехода накладывает серьезные ограничения на работу прибора.
Чтобы избежать избыточного разогрева, необходимо обеспечивать достаточно
хороший теплоотвод. Этот вопрос будет рассмотрен в последнем разделе
настоящей главы.
Эффект пространственного заряда - это изменение электрического поля в
обедненном слое вследствие пространственного заряда генерированных
носителей. Этот эффект приводит к положительному дифференциальному
сопротивлению на постоянном токе для резких переходов и к отрицательному
дифференциальному сопротивлению для p-i-n диодов.
Рассмотрим сначала асимметричный резкий р+-п-п+ переход. Запорный слой
располагается -в n-области с концентрацией доноров Nd и ограничен
плоскостями х=0 и x=W. Когда приложенное напряжение U 'равно пробивному
напряжению Uв, электрическое поле Ё(х) достигает максимального
абсолютного значения <gm в плоскости х=0. Если мы предположим, что
электроны пересекают плоскость W со скоростью насыщения vsi, ток
пространственного заряда I будет равен:
I=vsipA, (8)
где р - плотность носителей заряда, а А--площадь. Приращение-
электрического -поля A<g (х), связанное с пространственным зарядом, может
быть получено из уравнения '(8) и уравнения Пуассона (Л. 9]:
(9)
Если предположить, что генерация всех носителей тока происходит в
пределах слоя умножения хА, приращение -напряжения, вызванное
пространственным зарядом носителей в пространстве дрейфа-117-ха, может
быть найдено интегрированием iA<g'(x):
fx (W-xaY
шв= \ <10>
о
Полное приложенное напряжение, таким образом, равно:
|1/=1/в"ЬА17в== Usd-f'Rsc, (11)
где Rsc определено как сопротивление, вызванное пространственным зарядом,
из уравнений (1-0) и (11):
д VB (W-*aY
В случае широких обедненных слоев и большой плотности тока
пространственный заряд подвижных носителей может -приводить к весьма
высоким значениям AUb- Например, -в кремниевом р+-п диоде с Nd= Ю15 см~3
и /4=5-10-4 см2 ширина обедненного слоя при пробое достигает '18 мкм, а
ха составляет около € мкм. Как следует из уравнения (12), сопротивление
пространственного заряда равно примерно '140 ом. Величина AUb при
плотности тока 1 ООО а/см2 (1=0,5 а) равна 70 в, что составляет около 20%
от величины пробивного напряжения.
Для p-i-n диода ситуация 'несколько иная, чем для р+-п перехода |(см. § 7
гл. 3); когда приложенное обратное напряжение достигает значения,
достаточного для образования лавинного пробоя; обратный ток мал.
Эффектами, связанными с .пространственным зарядом носителей, можно
пренебречь, и электрическое поле существенно однородно по всему
обедненному слою (если предполагать, что 'an - av, как это имеет место
для германиевых диодов). По -мере возрастания тока больше электронов
инжектируется из p-i контакта и больше дырок из n-i контакта. Эти
пространственные заряды п-риводят к уменьшению электрического поля <§в
центре t-области. При пробое максимальные шля, которые наблюдаются у -
границ запорного слоя, существенно постоянны. Таким .образом, -при росте
^ока <gi уменьшается, и напряжение, которое равно ^ , также
о
уменьшается. Это приводит к отрицательному дифференциальному
сопротивлению в p-i-n диоде.
3. Основные динамические характеристики
В этом разделе мы представим основы -малосигнальной теории диода Рида,
чтобы проиллюстрировать физическое значение лавинного умножения и
