Диффузионной составляющей

Наряду с дрейфовой возникает диффузионная составляющая тока, которая является следствием теплового движения электронов. При неравномерной концентрации носителей тепловое движение приобретает определенную направленность из области с большей в область с меньшей концентрацией электронов. Это объясняется тем, что в области, где концентрация электронов выше, вероятность столкновения электронов также выше. В результате электрон при хаотическом тепловом движении стремится отклониться в область с меньшей концентрацией, где будет испытывать меньше столкновений. Это направленное перемещение электронов в результате хаотического теплового движения называется диффузией и зависит от величины градиента концентрации.

слоя L0 значительно меньше длины свободного пробега / носителей заряда, т. е. L0 < I- Кроме того, эти полупроводники обладают высокой концентрацией носителей и высокими значениями их подвижности. При этих условиях носители заряда преодолевают запирающий слой без соударений. Следовательно, диффузионная составляющая тока мала по сравнению с дрейфовой и из полупроводника в металл переходят только те электроны, которые обладают достаточно большой кинетической" энергией. Теория выпрямления для этого случая называется диодной.

При прямой полярности приложенного напряжения дрейфовая составляющая тока остается практически постоянной, а диффузионная составляющая возрастает по экспоненциальному закону. При отсутствии внешнего напряжения (U = 0) дрейфовая и диффузионная составляющие равны между собой. Уравнение вольт-амперной характеристики р — n-перехода аналогично ранее выведенному уравнению (1.8) для контакта металл — полупроводник. Статическая вольт-амперная характеристика р — n-перехода представлена на 1.8.

Увеличение потенциального барьера нарушает состояние термодинамического равновесия. При этом диффузионная составляющая тока через р-я-переход уменьшается. Дрейфовая же составляющая тока не изменяется, поскольку концентрация неосновных носителей заряда определяется лишь процессом термогенерации (§ 1.2), а не уровнем напряжения. Поэтому при обратном включении p-n-перехода через него проходит обратный ток /обр, который определяется неосновными носителями и при увеличении обратносмещающего напряжения приближается к постоянному значению /о = /пдр + -f- /рдр. Ток /Обр = /о называют тепловым током или током насыщения.

где /„ др — дрейфовая составляющая электронного тока; /ЯДИф —диффузионная составляющая электронного тока; /рдр — дрейфовая составляющая дырочного тока; 1рюф—диффузионная составляющая дырочного тока.

1 ) jpo — диффузионная составляющая плотности тока дырок, обусловленная их движением из области р в область я;

2) jno — диффузионная составляющая плотности тока электронов, связанная с движением электронов из области п в область р.

где /пДр=<7П[1п? —дрейфовая составляющая плотности электронного тока; jnw$ = qDndnldx — диффузионная составляющая плотности электронного тока; jp Лр = ЧРЦрЕ— дрейфовая составляющая плотности дырочного тока; /РДИФ = —qDpdp/dx — диффузионная составляющая плотности дырочного тока.

где СбаР=-- A Q/ A U — барьерная емкость; д Q — пространственный заряд перехода; Д ?/— приращение напряжения, вызвавшее ДС?; Сдиф — Д QH/Д U — диффузионная емкость; д QH — изменение неравновесного заряда в базе от изменения внешнего напряжения на Дс/. Поскольку диффузионная составляющая тока имеется при прямом подключении р-п перехода, то в прямом направлении, пока соблюдается неравенство (7п[.-<ср,, учитываются обе составляющие емкости: Сйщ, и Сд„ф. При (Упр:>фк учитывается только Сд„ф. В обратном направлении учитывается только Свар, так как Сдиф = 0. Во всех электронных схемах практическое значение имеет С6ар. Поэтому в справочниках электронных приборов приводятся значения С6аР-Значение барьерной емкости в тонких р-п переходах может быть до 300—600 пФ. Значение же аиффузионной емкости во много раз больше и может быть до 504 пФ (см. §4.5).

Тепловые токи электронно-дырочного перехода. Тепловой ток — один из основных физических параметров транзисторной структуры, так как вольт-амперная характеристика электронно- дырочного перехода определяется этим параметром. Тепловой ток электронно-дырочного перехода состоит из диффузионной и генерационной составляющих. Диффузионная составляющая теплового тока обусловлена диффузией неосновных носителей из р-слоя в n-слой и, наоборот, из и-слоя в р-слой. Тепловой ток, который образуется потоком электронов, поступающих из р-слоя в п-слой,

В результате этого возрастает количество носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, и увеличивается диффузионная составляющая /ДИф тока через переход. Дрейфовая составляющая определяется только количеством неосновных носителей, подошедших к запирающему слою в процессе теплового движения, причем неосновные носители по-прежнему втягиваются полем перехода. Поэтому дрейфовый ток неосновных носителей от приложенного напряжения не зависит. Таким образом, суммарный ток через переход /а=/диФ—/др>0. Это прямой ток р-п перехода. Потенциальный барьер
Концентрация дырок в базе на пути движения от эмиттерного перехода к коллекторному изменяется по длинен базы, что вызывает расширение области объемного заряда в глубь области базы. База сохраняет электрическую нейтральность, и все внешние напряжения падают на коллекторном и эмиттерном переходах, поэтому плотность дырочного тока в базе определяется только диффузионной составляющей

~нак минус у диффузионной составляющей плотности тока дырок указывает на то, что направление диффузионного тока противоположно градиенту их концентрации. Заменив в (2.26), (2.27) потоки Jn и Jp плотностями тока, получим уравнения непрерывности в виде

Знак "-" у диффузионной составляющей плотности тока дырок указывает на то, что направление диффузионного тока противоположно градиенту ах концентрации.

где re — распределенное сопротивление базы, измеренное без учета диффузионной составляющей, обусловленной влиянием напряжения коллектора на эмиттерный переход.

Из уравнения (5.33) следует, что квазистационарное состояние (dnl /dt— 0) характеризуется равенством (dnldt)Dij = (dnldf)r- В случае преобладания диффузионной составляющей, т. е. при (dn/dt)Dij > >(dnldf)T, возникает процесс деионизации или распад плазмы ствола, определяющий условия гашения дуги. Такое состояние наступает при отрицательном энергетическом небалансе, когда отводимая при охлаждении ствола мощность становится больше мощности, вводимой в дугу от внешних источников, что обычно приводит к снижению температуры плазмы, следовательно, и к уменьшению степени термической ионизации. В процессе распада плазмы существенную роль играет потеря электронов, обусловленная явлением прилипания электрона к атому газа (см. гл. 4).

Электрическое поле, возникшее внутри запирающего слоя, вызывает направленное движение носителей через переход — дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионной составляющей тока через переход. Дрейфовый ток через переход /ДР==/др Р+/ДР п.

Произведение а/э отражает увеличение коллекторного тока за счет диффузионной составляющей. Коэффициент а называют коэффициентом передачи транзистора по току в схеме с общей базой. Ввиду малой ширины базы и большой площади коллекторного р-л-перехода большая часть неосновных носителей, перешедших из эмиттера в базу, достигает коллекторного p-n-перехода. Поэтому значение а близко к единице, однако всегда несколько меньше ее, поскольку некоторая часть неосновных носителей все-таки рекомбинирует в базе. Обычно а = 0,9 -г- 0,995. Значение обратного тока /ко мало и приближенно можно считать, что /к ж <х/8.

Принципиальная схема автоколебательного генератора на туннельном диоде Д показана на 7.7. Туннельный диод является быстродействующим полупроводниковым переключающим прибором, работа которого основана на принципе туннельного эффекта. При малых (до 0,2 — 0,3 В) напряжениях ток диода увеличивается из-за наличия не только диффузионной, но и туннельной составляющей. Эта составляющая обусловливает максимум тока при малых напряжениях в области отсечки в. а. х. После затухания туннельной составляющей ток диода определяется одной диффузионной составляющей и оказывается сначала меньше пикового, а затем, по мере роста прямого напряжения, нарастает так же, как прямой ток обычного полупроводникового диода. Прямая ветвь в. а. х. диода принимает вид, показанный на . 7.1, а. Величина Up стабильна; для арсенид-гал-лиевых туннельных диодов Up «« 0,15 В; 1р имеет

Выражение (3.93) напоминает формулу для расчета диффузионной составляющей плотности тока (1.27), так как плотность тока получилась пропорциональной градиенту концентрации носителей. Однако такое сходство формально, так как на самом деле в расчете была принята во внимание и напряженность электрического поля в базе диода.

ется при приложении к р-п переходу прямого напряжения (плюс к р-области, минус к «-области)—внутренний потенциальный барьер снижается. Равновесие в потоках носителей через переход нарушается в пользу диффузионной составляющей тока, которая при достаточно большом прямом напряжении определяет значение тока через р-п переход. Дрейфовая составляющая тока через р-п переход в выпрямительном диоде является фактически паразитной и должна быть минимально возможной.

Второе допущение сводится к тому, что движение носителей в канале считают чисто дрейфовым, т. е. пренебрегают диффузионной составляющей тока. Это выполняется при большой концентрации носителей в канале, т. е. при достаточно большом напряжении на затворе 1/зи —Ump^> ^>ФТ. Если же f/зи ^ U not, то концентрация носителей в канале и дрейфовый ток малы и основной является диффузионная составляющая тока. Следовательно, точность получаемых формул ВАХ будет мала при (Узи~?/пор.