PRZEBICIE I MODELE ZŁĄCZA p-n WYK. SMK

Transkrypt

1 PZEBICIE I MODELE ZŁĄCZA -n WYK. SMK Podtawa: W. Marciniak, Przyrządy ółrzewodnikowe i układy calone, WN, Wwa 1987 W miarę wzrotu rądu łynąceo rzez złącze -n coraz więkzy wływ na kztałt charakterytyki rądowo-naięciowej ma rezytancja zereowa (rezytancja obzarów obojętnych, rezytancja tyków -metal). Naięcie na wartwie zaorowej: U U r I z Przy olaryzacji w kierunku zaorowym na kztałt charakterytyki I-U ma rąd uływu (tany owierzchniowe). Dla dużych rądów (duże oziomy wtrzykiwania) koncentracja nośników mniejzościowych nadmiarowych orównywalna jet z koncentracją domiezek w bazie złącza ( n >>N D dla N A >>N D ) zaś koncentracja nośników więkzościowych wzrata zodnie ze wzrotem tej ierwzej (modulacja konduktywności w obzarze bazy). Wtedy: J ex( U / m ); 1 m 2 Dla złącza krzemoweo i małych rądów m=2 (rąd rekombinacji), dla średnich rądów m=1 (rąd dyfuzji), dla dużych rądów m=2 (duży oziom wtrzykiwania). Złącza z dłuą bazą obzar bazy ma zerokość znacznie więkzą niż droa dyfuzji nośników mniejzościowych (N A >>N D, W B >>L ). 1

2 Złącza z krótką bazą: 1. Przebicie złącza -n J W B qno [ex( U / ) 1]; dla N A N D Zjawiko wałtowneo wzrotu rądu rzy olaryzacji złącza w kierunku zaorowym naięciem więkzym niż ewna charakterytyczna dla daneo złącza wartość naięcie rzebicia. a). Przebicie Zenera Jonizacja elektrotatyczna w obzarze złącza (olaryzacja w kierunku zaorowym) zwana emiją wewnętrzną lub zjawikiem Zenera (wyrwanie elektronu z wiązania kowalencyjneo atomów) rzejście tunelowe elektronu z ama walencyjneo do ama rzewodnictwa. Prawdoodobieńtwo rzejścia tuneloweo tym więkze im niżza i wężza jet bariera. Szerokość bariery maleje ze wzrotem koncentracji domiezek złącza ilnie domiezkowane. W U z 4, dla Si U z q 5V Jeśli złącze ulenie rzebiciu naięciem U >6W /q (dla Si U >7V) lawinowa jonizacja zderzeniowa). b). Przebicie lawinowe Polea na rozerwaniu wiązania atomów w ieci wkutek dotarczenia enerii rzez wobodny nośnik ładunku rozędzony w ilnym olu elektrycznym. Powtaje ara elektrondziura, która rzyiezana w olu elektrycznym może dalej jonizować = owielenie liczby nośników w wartwie zaorowej. Powielanie lawinowe, dy zerokość wartwy zaorowej >> od droi wobodnej nośnika. Wzrot rądu: J M J Naięcie rzebicia lawinoweo (emirycznie): U 60( W /1.1) 3/ 2 ( N /10 ), 22 3/ 4 N koncentracja domiezek w bazie 2

3 Przebicie Zenera i lawinowe nie owodują znizczenia złącza, dy w obwodzie zewnętrznym jet odowiednie oraniczenie rądu. Gdy o nie ma w złączu wydziela ię duża moc i cieło nizczy złącze. 2. Charakterytyka I-U złącza ilnie domiezkowaneo W miarę wzrotu koncentracji domiezek oziom Fermieo rzeuwa ię ku krawędzi ama zabronioneo. W. n zbliża ię do dna ama rzewodnictwa, w. do wierzchołka ama walencyjneo. Dla dużych koncentracji domiezek (2*10 25 m -3 dla Ge i 6*10 25 m -3 dla Si) oziom Fermieo rzechodzi do ama rzewodnictwa lub walencyjneo. ozatrzmy eneretyczny model amowy złącza + -n +. 3

4 Po ołączeniu wartw, P + i N + amo walencyjne o tronie P + oraz amo rzewodnictwa o tronie N + znajdują ię częściowo narzeciw iebie. Prąd Zenera łynie, dy w aśmie rzewodnictwa itnieją wolne oziomy eneretyczne na wyokości oziomów zajmowanych rzez elektrony w aśmie walencyjnym. W tanie równowai umaryczny rąd łynący rzez złącze + -n +, I=0, czyli w tym tanie rąd Zenera jet równy rądowi Eakieo: J Z +J E =0 Dodatkowym warunkiem jet mała zerokość bariery (cienka wartwa zaorowa ~10 nm). Przy olaryzacji zewnętrznej: Wzajemne uytuowanie am A i B. - Pkt 0 (U=0) rądy tunelowe Jz, J E wzajemnie ię równoważą, - Pkt 1 (U 1 >0) rąd Eakieo rzeważa nad rądem Zenera: amo A narzeciw B, - Pkt 2 (U 2 >U 1 ) łynie tylko rąd Eakieo, amo A dokładnie narzeciw B (wierzchołek charakterytyki) - Pkt 3 (U 3 >U 2 ) rąd Eakieo jet mały, część ama A narzeciw B, część narzeciw ama zabronioneo (dolina charakterytyki) - Pkt 4 (U 4 >U 3 ) rąd Eakieo nie łynie, amo A narzeciw ama zabronioneo, - Pkt 5 (U 5 <0) łynie tylko rąd Zenera 4

5 Charakterytyka I-U uerozycja J E (U), J Z (U) i J d (U). W obzarze doliny rąd nadmiarowy: rozmycie krawędzi ama zabronioneo, tunelowanie ośrednie rzez centra eneracyjo-rekombinacyjne w wartwie zaorowej. 3. Modele złącza -n - analityczne (r-nie charakterytyki I-U) - raficzne (wykre zależności I(U)) - tablicowe (ciąi liczb wyrażające wartości rądu i naięcia unkt o unkcie) - ymboliczne (chematy zatęcze) a). Schematy zatęcze nieliniowe (dla dużych naięć): r u i r rezytancja uływu oraz rezytancja zereowa I I [ex( U / m ) 1] dla obu kierunkow I F I I I ex( U / m ) rzewodzenie, I ( U )[ex( U / 2 ) 1] I I I [ex( U / ) 1] rądy rek.-en. rądy dyfuzji i unozenia ( U ) zaorowy lub 5

6 U=U z -r I Wływ rezytancji r (ułamek oma) jet itotny w kierunku rzewodzenia, wływ r u (meaomy) w kierunku zaorowym. Praca złącza -n w warunkach dynamicznych rzy zybkich zmianach naięcia dorowadzoneo do złącza, orócz rądu rzewodzenia, w tanie nieutalonym będzie łynął rąd rzeunięcia (zmiana ładunku maazynowaneo w złączu: w wartwie zaorowej i w bazie). Zmiany obu ładunków można interretować jako ojemności: C j ojemność złączowa (wartwy zaorowej), C d ojemność dyfuzyjna. - ojemność wartwy zaorowej, Gdy zmienia ię naięcie u=f(t), to zmienia ię ładunek Q j =f(t): dq j Q j du du i C j dt u dt dt 6

7 1 n C j A / ld 1/ U, n 2 z. kokowe, n 3z. liniowe Pojemność wartwy zaorowej jet ojemnością kondenatora łakieo o okładkach oddalonych od iebie na odlełość l d. - ojemność dyfuzyjna, Każda zmiana ładunku nadmiaroweo w bazie złącza wymaa rzeływu rądu ładowania (dotarczenie dziur i elektronów w jednakowych ilościach z dwóch rzeciwnych kierunków): dqb Qb dqb i I ut ; dt dt dqb Qb du du il Cd dt u dt dt ylko dla ytuacji rzedtawionej na ry. 3.40b można określić C d, dy rozkład ładunku nadąża za zmieniającą ię wartością naięcia (naięcie zmienia ię w czaie dłużzym niż cza życia nośników mniejzościowych). Dla krótkiej bazy: C Dla dłuiej bazy: ( J d J ( J d J b). chematy zatęcze liniowe (dla małych naięć) C ) / 2 ) / 7

8 Mała amlituda ynału naięcia zmienneo - kładowe zmienne rądu i naięcia ą związane tałymi arametrami (U m <k/q): U t +U m exj t - chemat zatęczy dla rzebieów quaitacjonarnych, Gdy 0 można ominąć rądy ładowania ojemności i w chemacie zatęczym wytarczy uwzlędnić konduktancję różniczkową: di r 1 r du Ponieważ: r =I/m. I I r r [ex( U / m ) 1]; wiec ( I I ) / m, w kierunku rzewodzenia - chemat zatęczy dla małych czętotliwości, Przy wzroście czętotliwości trzeba uwzlędnić ojemność C j i C d. C d = r /2 - chemat zatęczy dla dużych czętotliwości, C d ( )=C d (0) 2 /, d ( )= d (0) / 2 Admitancja: Y= d +j C d c). Praca imulowa złącza -n Cztery warianty terowania złącza rzy racy imulowej: - włączanie rzejście ze tanu neutralneo (bez olaryzacji) do tanu rzewodzenia, - wyłączanie rzejście ze tanu rzewodzenia do tanu neutralneo, - rzełączanie rzejście ze tanu zaoroweo do tanu rzewodzenia i odwrotnie. odzaj źródła terująceo: - terowanie ze źródła naięcioweo, 8

9 - terowanie ze źródła rądoweo. - włączanie: W chwili dorowadzenia naięcia natychmiat zmniejza ię bariera otencjału od wartości B do wartości B -U na ranicy wartwy zaorowej ojawia ię dodatkowa koncentracja ' nośników mniejzościowych (dla bazy n ą to dziury): n (0) no[ex( u / ) 1]. W ozotałym obzarze bazy koncentracja nośników nadmiarowych w chwili oczątkowej jet równa zero owtaje radient koncentracji i rzeływ dużeo rądu dyfuzji: ' dn J qd x o dx Zmniejzenie ię wartości rądu w funkcji czau wiąże ię ze zmniejzeniem ię nachylenia rozkładu koncentracji nośników nadmiarowych w miarę ich dyfuzji w łąb bazy. Prąd utala ię wkutek zrównania ię zybkości dotarczania nośników i zybkości ich rekombinacji. 9

10 Więkze znaczenie ma terowanie złącza -n ze źródła rądoweo. Stała wartość rądu oznacza tały radient koncentracji nośników nadmiarowych dla x=0. Wykrey n (x) rzeuwają ię w órę rzy zachowaniu tałeo nachylenia dla x=0, wzrata koncentracja n (0) n (0), a onieważ: u ln, więc rośnie naięcie na złączu -n. - wyłączanie: no Może mieć charakter naięciowy (zwarcie złącza) lub rądowy (rozwarcie złącza). W chwili zwarcia złącza natychmiat wzrata bariera od wartości B -U do B, na ranicy wartwa zaorowa - baza koncentracja nośników mniejzościowych rzyjmuje wartość równowaową (dla x=0 znikają nośniki nadmiarowe dla bazy tyu n dziury uuwane ą do obzaru tyu ). W chwili t=0 n (0) maleje do zera. W ozotałym obzarze bazy koncentracja nośników nadmiarowych w chwili oczątkowej jet taka, jaka utaliła ię rzy racy złącza w kierunku rzewodzenia rzed wyłączeniem. Dla x=0 owtaje duży radient koncentracji nośników i rzeływ dużeo rądu dyfuzji dziur z bazy tyu n do obzaru (w kierunku zaorowym). W rzyadku wyłączania rądoweo na złączu utrzymuje ię rzez ewien cza naięcie oinjekcyjne. Brak rzeływu rądu oznacza, że radient koncentracji nośników nadmiarowych w bazie =0 dla x=0. Więc ładunek maazynowany w bazie zanika tylko wkutek rekombinacji. - rzełączanie: 10

11 Przełączanie rądowe rozumie ię w ten oób, że rezytancja obwodu zewnętrzneo oranicza wartość rądu w tanie rzewodzenia i w czaie rzeływu dużeo rądu wteczneo; rzy racy w utalonym tanie zaorowym rąd łynący rzez złącze nie jet oraniczony obwodem zewnętrznym. Podcza rzełączania w rzód (z kierunku zaoroweo do rzewodzenia) orócz zjawik oianych wcześniej dla włączania należy uwzlędnić roce rzeładowania ojemności wartwy zaorowej naięcie na złączu nie oiąa wartości zero natychmiat, lecz o uływie czau t d. Podcza rzełączania w tył (z kierunku rzewodzenia do zaoroweo) rozkłady koncentracji (ry. 3.51) nośników nadmiarowych w bazie złącza wkazują, że od chwili t=0 do t 1 dla x=0 rozkłady te mają tałe nachylenie rąd dyfuzji nośników z bazy do wartwy zaorowej jet tały (oraniczenie rądu w obwodzie zewnętrznym). Naięcie o wałtownym adku o wartość (I F +I )r ozotaje dodatnie oiąając zero o czaie t 1 (cza wymaany do uunięcia ładunku z bazy cza maazynowania zależy od właściwości złącza i od arametrów obwodu zewnętrzneo). Cza t 2 cza oadania, zależy wyłącznie od właściwości złącza. 11

12 4. Wływ temeratury na charakterytykę I-U złącza -n Przyrządy ółrzewodnikowe moą racować w zakreie średnich temeratur, w którym wzytkie atomy domiezek ą już zjonizowane, a zarazem eneracja ar elektrondziura jet jezcze mało rawdoodobna: - zakre zaorowy (rzed rzebiciem), J =J +J (dla Ge rzeważa J dla Si J ) J zależy od temeratury orzez n 2 i (), D() i (). 2 3 n ex( W / k), J ex( W / k) i J zależy od orzez n i () J ex( W / 2k) Wółczynnik temeraturowy rądu wteczneo: Dla złącza Ge: 1 dj W 2 J d k Dla złącza Si: 1 dj W 2 J d 2k W złączu Ge i Si rąd wteczny zwiękza ię ok. 2 krotnie rzy wzroście temeratury o 10 o C. - zakre rzebicia, U U 0)[1 ( )] ( o temeraturowy wółczynnik naięcia rzebicia (<0 dy rzebicie Zenera, >0 dy rzebicie lawinowe). Wzrot temeratury owoduje zwiękzenie rądu Zenera rzy tałym naięciu olaryzacji, a więc zmniejzenie naięcia rzebicia rzy tałym rądzie. 12

13 - zakre rzewodzenia, Na zależność J() ( J J [ex( qu / mk 1] ) mają wływ zmiany rądu J () oraz zmiany arumentu funkcji wykładniczej. Komenują ię one nawzajem. emeraturowy wółczynnik rądu rzewodzenia: 1 dj W qu U ; zlacze krzemowe ( U 0.4V, J, 2) 2 J m J d 2k 1 dj W qu U ; zlacze ermanowe oraz krzemowe ( J J, m 1) 2 J d k 13