что такое зарядная емкость p n перехода

1.2.4. Емкость p-n-перехода

Общая емкость p-n-перехода измеряется между выводами кристалла при заданных постоянном напряжении (смещении) и частоте гармонического напряжения, прикладываемых к переходу. Она складывается из барьерной, диффузионной емкостей и емкости корпуса кристалла:

Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Эти объемные заряды неподвижны и не участвуют в процессе протекания тока. Они и создают электрическое поле перехода.

При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда и сам заряд увеличиваются, причем это увеличение происходит непропорционально.

Барьерная емкость определяется как

,

,

где S_пер – площадь перехода.

Диффузионная емкость обусловлена изменением величины объемного заряда, вызванного изменением прямого напряжения и инжекцией неосновных носителей в рассматриваемый слой. В результате в n-базе возникает объемный заряд дырок, который практически мгновенно (за несколько наносекунд) компенсируется зарядом собственных подошедших к дыркам электронов. Диффузионную емкость часто выражают как линейную функцию тока, учитывая экспоненциальный характер ВАХ. При этом

,

где — время жизни носителей для толстой базы или среднее время пролета для тонкой базы.

Диффузионная емкость составляет сотни – тысячи пикофарад.

При прямом напряжении на переходе общая емкость определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной. Общий вид зависимости емкости перехода от напряжения на нем показан на рис. 1.6. Эту зависимость называют вольт – фарадной характеристикой перехода.

Источник

Ёмкости p-n перехода

Ёмкость состоит из барьерной и диффузионной ёмкостей. Барьерная ёмкость определяется нескомпенсированными зарядами ионов вблизи и изменяется при изменении его толщины под воздействием запирающего напряжения. Идеальный при анализе можно представить в виде плоского конденсатора, емкость которого вычисляется при помощи следующей формулы:

Мы уже определяли ранее, что толщина зависит от поданного на него обратного напряжения, соответственно меняется и его ёмкость. Зависимость барьерной емкости от приложенного к обратного напряжения описывается формулой:

Рисунок 1. Зависимость барьерной ёмкости от напряжения

Зависимость барьерной ёмкости от напряжения широко используется в радиоэлектронной технике. Изготавливаются специальные электронные приборы: варикапы и варакторы, основным свойством которых является изменение ёмкости от напряжения. Это свойство используется в генераторах, управляемых напряжением и частотных модуляторах.

В других электронных приборах, таких как биполярные и полевые транзисторы, барьерная ёмкость является фактором, ограничивающим частотный диапазон прибора, и её стараются уменьшать. Барьерная емкость увеличивается при увеличении концентрации неосновных носителей заряда N_А и N_Д, и уменьшается при уменьшении концентрации.

Теперь определим значение диффузионной ёмкости. Любую ёмкость можно найти из выражения:

Зависимость величины диффузионной ёмкости от прямого напряжения на показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость диффузионной ёмкости от напряжения

Полная емкость определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей:

При прямом включении преобладает диффузионная емкость, а при обратном — барьерная.

Следует заметить, что диффузионная ёмкость имеет большое значение в формировании частотных характеристик таких электронных приборов, как биполярные транзисторы. В высокочастотных схемах приходится эти ёмкости включать в состав согласующих цепей, которые часто используются на входе и выходе усилительных каскадов.

Дата последнего обновления файла 14.06.2020

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Ёмкости p-n перехода» читают:

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

Источник

Емкости p-n перехода

Изменение внешнего напряжения dU на p-n переходе приводит к изменению накопленного в нем заряда dQ. По­этому p-n переход ведет себя подобно конденсатору, ем­кость которого С = dQ/ dU.

В зависимости от физической природы изменяющегося заряда различают емкости барьерную (зарядную) и диф­фузионную.

Барьерная (зарядная) емкость определяется измене­нием нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. Поэтому идеальный электронно-дырочный переход можно рассматривать как плоский кон­денсатор, емкость которого определяется соотношением

, (1.41)

Из соотношений (1.41) и (1.31) следует

.

В общем случае зависимость зарядной емкости от при­ложенного к p-n переходу обратного напряжения выра­жается формулой

,

Барьерная емкость увеличивается с ростом N_А и N_Д, а также с уменьшением обратного напряжения. Характер зависимости С_БАР = f(U_ОБР) показан на рис. 1.13,а.

Рассмотрим диффузионную емкость. При увеличении внешнего напряжения, приложенного к p-n переходу в прямом направлении, растет концентрация инжектирован­ных носителей вблизи границ перехода, что приводит к изменению количества заря­да, обусловленного неосновны­ми носителями в p- и n-областях. Это можно рассмат­ривать как проявление неко­торой емкости. Поскольку она зависит от изменения диффузионной составляю­щей тока, ее называют диф­фузионной. Диффузионная емкость представляет собой отношение приращения инжекционного заряда dQ_инж к вызвавшему его изменению напряжения dU_пр, т. е. . Воспользовавшись уравнением (1.30), можно опреде­лить заряд инжектированных носителей, например дырок в n-области:

Рисунок 1.13 Зависимость барьерной (а) и диффузионной (б) емкостей p-n перехода от напряжения.

.

Тогда диффузионная емкость, обусловленная изменением общего заряда неравновесных дырок в n-области, опреде­лится по формуле

.

Аналогично для диффузионной емкости, обусловленной инжекцией электронов в p-область,

.

Рисунок 1.13 Эквивалентная схема p-n перехода.

Общая диффузионная емкость

.

Зависимость ёмкости от прямого напряжения на p-n переходе показана на рисунке 1.13, б.

Полная емкость p-n перехода определяется сум­мой зарядной и диффузи­онной емкостей:

.

На рис. 1.14 приведена эквивалентная схема p-n перехода по переменному току. Схема содержит дифферен­циальное сопротивление p-n перехода r_Д, диффузионную емкость С_ДИФ, барьерную емкость С_БАР и сопротивление объ­ема p- и n-областей r₁. На основании уравнения (1.37) можно записать:

.

Если при прямом включении p-n перехода U_пр >> j_т, то:

; .

При комнатной температуре ; (1.42)

(в соотношении (1.42) значение тока подставляется в ам­перах). Сопротивление утечки r_УТ учитывает возможность прохождения тока по поверхности кристалла из-за несо­вершенства его структуры. При прямом включении p-n перехода С_БАР

Рисунок 1.15 Упрощенные эквивалентные схемы p-n перехода.

При обратном смещении r_{Д ОБР} >> r₁, С_БАР >> С_ДИФ и эк­вивалентная схема имеет вид, показанный на рис. 1.15, б.

Источник

Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Запирающий слой выступает как диэлектрик конденсатора. Эти объемные заряды создают электрическое поле перехода. При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда и сам заряд увеличиваются, причем непропорционально. Эта емкость использована в варикапах.

, и равна , где S_пер – площадь перехода

Диффузионная емкость значительно больше барьерной С_диф>1000pF.

При прямом напряжении на переходе общая емкость определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной.

При прямом включении есть диффузная емкость С_диф=Т_р/φ_Т, где Т_р– время жизни неосновных носителей. Не зависит от U. .

Когда в 1949 году был создан первый транзистор, физика твердого тела стала необходимым технологическим инструментом. Твердотельные приборы не только радикально изменили электронику, но и привели к качественным сдвигам в человеческом обществе – к технологической революции. Она началась с того, что специалисты стали задумываться, как уменьшить размеры транзисторов и сделать сложные электронные устройства, такие, как ЭВМ, более компактными. Сегодня с помощью изощренных технологических приемов на одном квадратном миллиметре кремниевого кристалла формируется несколько миллионов элементов – транзисторов, конденсаторов, сопротивлений. Иными словами, размеры отдельных элементов стали много меньше микрона – тысячной доли миллиметра.

И вот тогда на передний план выдвинулись проблемы физики поверхности. По мере того, как кремниевая пластинка – «чип», который служит основным элементом современных ЭВМ, становился все миниатюрнее, отношение его поверхности к объему быстро возрастало. Поэтому поверхность чипа, а не его объем стала играть определяющую роль и при выполнении им логических функций, и при взаимодействии с другими элементами.

Поверхностные состояния образуются не только на границе между твердым телом и вакуумом. Поверхность раздела может быть внутренней, например, разграничивающей два разных полупроводниковых кристалла. Такую поверхность стали называть гетеропереходом, а пару разделяемых ею полупроводников –гетероструктурой.

Под гетеропереходом понимается контакт двух различных по химическому составу полупроводников, при котором кристаллическая решетка одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала.

Рис. Схема энергетических состояний в кристалле, ограниченном поверхностью

Гетеропереходы,представляющие контакт двух разнородных полупроводников с различной шириной запрещенной зоны и различной степенью легирования, получили практическое применение в светодиодах, лазерах, фотодиодах, полевых и биполярных транзисторах, что позволяет улучшить их специфические свойства, значительно увеличить их рабочие частоты в сверхвысокочастотных (СВЧ) аналоговых и сверхскоростных цифровых ИС. Наиболее освоенными являются гетеропереходы между твердыми растворами полупроводниковых соединений Al_xGa_1-xAs-GaAs, GaAs_xP_1-x-GaAs, GaAs_xP_1-x-GaP, Ga_xIn _1-x As-InP и др. Используя для создания гетеропереходов материалы с высокой подвижностью электронов (например, InGaAs/lnAIAs), удается создавать приборы, которые уже переступают знаковый рубеж 1 ТГц http://www.club155.ru/heterojunction-materials

При создании электронных приборов на основе гетеропереходов в первую очередь добиваются того, чтобы в кристаллической решетке из двух материалов, составляющих гетеропереход, не было дефектов. Для этого необходимо, чтобы два материала имели идентичную кристаллическую структуру и близкие периоды решеток. В этом случае структура получается без напряжений. Дополнительным ограничением выступает необходимость согласования коэффициентов термического расширения используемых материалов с тем, чтобы обеспечить стабильность кристаллической структуры гетероперехода в требуемом рабочем диапазоне температур. Для создания гетероперехода необходимо подбирать подходящие пары.

Барье́р Шо́ттки (Schottky barrier)) — потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом, равный разности энергий, затрачиваемых на удаление электрона из твёрдого тела или жидкости в вакуум, другой металл или полупроводник.

При сближении полупроводника n-типа с металлом, имеющим большую, чем у полупроводника, энергию отрыва электрона ϕ <\displaystyle \phi >φм, металл заряжается отрицательно, а полупроводник — положительно, так как электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно. Напротив, при сближении полупроводника p-типа с металлом, обладающим меньшей ϕ <\displaystyle \phi >энергией отрыва электрона, металл заряжается положительно, а полупроводник — отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов: U_k = (φ_м – φ_п)/e, где e – заряд электрона. Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов U k <\displaystyle U_> U_к создается в приповерхностном слое полупроводника.

Барьер Шоттки обладает выпрямляющими свойствами. Ток через него при наложении внешнего электрического поля создается почти целиком основными носителями заряда, что означает отсутствие явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов.

В компактной форме ВАХ записывается в виде: ,

где υ₀– тепловая скорость электронов, n_s– поверхностная концентрация в полупроводнике на границе с металлом, V_G –контактная разность потенциалов

На рисунке 2.7 приведена вольт‑амперная характеристика барьера Шоттки, имеющая ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых смещений ток экспоненциально сильно растёт с ростом приложенного напряжения. В области обратных смещений ток от напряжения не зависит. В обоих случаях, при прямом и обратном смещении, ток в барьере Шоттки обусловлен основными носителями – электронами, что означает отсутствие явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов. Контакты металл — полупроводник с барьером Шоттки широко используются в сверхвысокочастотных детекторах, транзисторах и фотодиодах.

Рис. 2.7. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки

Когда планарно-эпитаксиальный транзистор находится в режиме насыщения, в базовой и высокоомной коллекторной областях накапли­вается заряд неосновных носителей. При подаче запираю­щего импульса базового тока неосновные носители рассасы­ваются в течение некоторого времени за счет вытекания в базовый и коллекторный контакты и рекомбинации. Это время, необходимое для рассасывания неосновных носите­лей заряда, составляет 10—100 нc и является серьезным ограничением при разработке быстродействующих ИМС.

Диод Шоттки в интегральном ис­полнении представляет собой контакт металла с высокоомным полупроводником n-типа, в качестве которого ис­пользуется коллекторная область транзистора. При соот­ветствующей очистке поверхности полупроводника на гра­нице полупроводник — металл возникает обедненный слой и образуется барьер Шоттки. Такой контакт обладает вы­прямляющими свойствами и работает как диод. По срав­нению с диодом на р-n-переходе диод Шоттки характеризует­ся низкими значениями падения напряжения в открытом состоянии (около 0,35—0,45 В) и временем выключения, которое обычно не превышает 0,1 нc.

При включении диода Шоттки параллельно коллектор­ному переходу транзистора ограничивается степень насыще­ния транзистора. При интегральном исполнении транзистор и диод составляют единую структуру, которую называют транзистором с барьером Шоттки.

Основные технологические процессы изготовления p-n-переходов

Электронно-дырочные переходы в зависимости от технологии изготовления разделяются на точечные, сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные и другие.

Точечные переходы

К полированной и протравленной пластине монокристаллического полупроводника n-типа подводят иглу, например из бериллиевой бронзы с острием 20-30 мкм. Затем через контакт пропускают кратковременные мощные импульсы тока. Место контакта разогревается до температуры плавления материала зонда, и медь легко диффундирует внутрь полупроводника образуя под зондом небольшую по объему область p-типа. Электронно-дырочный переход образуется в результате диффузии акцепторной примеси из расплава зонда и возникновения под ним области p-типа в кристаллической решетке полупроводника n-типа. Точечные переходы использовались в первых РЛС.

Сплавные переходыполучают выплавлением примеси в монокристалл полупроводника (рис. 1.5.). Монокристалл германия n-типа распиливают на пластины толщиной 200-400 мкм и затем после травления и полировки разрезают на кристаллы площадью в два-три миллиметра и больше. На кристаллы, помещенные в графитовые кассеты, накладывают таблетку акцепторного материала, чаще всего индия. Затем кассета помещается в вакуумную печь, в которой таблетка индия и слой германия под ней расплавляются. Нагрев прекращается и при охлаждении германий кристаллизуется, образуя под слоем индия слой p-типа. Застывшая часть индия представляет собой омический (невыпрямляющий) контакт, на нижнюю часть пластины наносят слой олова, который служит омическим контактом к германию n-типа. К индию и олову припаивают выводы обычно из никелевой проволочки.

Диффузионные переходы получают диффузией примесного вещества в исходную полупроводниковую пластинку (рис. 1.6.).

При планарном методе диффузии переходы получают, используя изолирующий слой, препятствующий диффузии примесей. На поверхности кремния n-типа выращивается тонкий (около 3 мкм) слой двуокиси кремния SiO₂(рис. 1.6.). Фотолитографическим методом в определенных местах окисла получают «окна», через которые диффундирующие примеси проникают в n-слой, образуя переход.

Методы диффузии обеспечивают получение плавных p-n переходов и используются при изготовлении интегральных микросхем.

Эпитаксиальные переходыобразуются ориентированным формированием слоя монокристаллического полупроводника на исходном монокристалле-подложке (рис. 1.7.).

1 – p-n-переход; 2 – p-область; 3 – слой высокоомного полупроводника; 4 – подложка.

Для проведения эпитаксии необходимо создавать условия для конденсации атомов осаждаемого вещества на поверхности подложки. Конденсация происходит перенасыщением пара или жидкого раствора, а также при испарении осаждаемого вещества в вакууме в специальных реакторах. При наращивании плёнки с проводимостью противоположной подложке, образуется p-n-переход.

При изготовлении интегральных схем широко используют планарно-эпитаксиальный метод, в котором путём наращивания на подложку 4 из низкоомного кремния наносят тонкий слой 3 высокоомного полупроводника, повторяющего структуру подложки. Этот слой, называемый эпитаксиальным, покрывают плотной защитной пленкой SiO₂ толщиной 1 мкм (рис. 1.8.). В плёнке протравливают «окно», через которое путем диффузии бора или алюминия создается p-n-переход, выход которого на поверхность оказывается сразу же надежно защищенным пленкой окисла.

Оксидное маскированиеобеспечивает проникновение примеси только в определенные участки пластины, защитив от них остальную ее поверхность. В полупроводниковых структурах на основе кремния в качестве маски используется диоксид кремния SiO₂, который является хорошим изолятором и обладает по сравнению с чистым кремнием значительно меньшей скоростью диффузии в него примесей. Для получения пленки оксида кремниевую пластину нагревают до 900—1200 º С в атмосфере кислорода. После охлаждения участки полупроводника, которые должны подвергаться воздействию примесей, освобождают от пленки окисла травлением.

Источник