Избыточных носителей

В момент переключения импульсного диода с прямого включения на обратное наблюдается большой обратный ток, вызываемый тем, что неосновные носители заряда, инжектируемые в базу, возвращаются в эмиттер через p-n-переход или частично рекомбинируют на базе ( 3.11). В связи с этим для импульсных диодов вводят как один из основных параметров время tg, в течение которого происходит рассасывание избыточных неосновных носителей заряда в базе, называемое временем восстановления

Уровнем инжекции 8 называется отношение концентрации избыточных неосновных носителей заряда к равновесной концентрации основных носителей ( 2.22, в):

переключения в течение времени t ^ ^ концентрация неравновесных неосновных носителей заряда будет больше, чем равновесных: пр > про. Поэтому в течение времени /! напряжение на переходе будет оставаться прямым, уменьшаясь по значению ( 2.29, б). В момент времени / =^ на границе перехода (л: = 0) концентрация избыточных неосновных носителей заряда становится равной нулю ( 2.29, г), поэтому напряжение на переходе также обращается в нуль ( 2.29, б). При t > tv начинает нарастать обратное смещение до значения f/o6) определяемого внешним источником питания ( 2.29, б). Расчет пока-

В р-области электроны, перешедшие из л-области, являются неравновесными избыточными неосновными носителями заряда. При постоянном прямом напряжении U концентрация их у границы слоя пространственного заряда поддерживается на постоянном уровне, зависящем от U. Введение избыточных неосновных носителей при прохождении прямого тока через р-п-переход называют инжекцией. По мере удаления от границы пространственного заряда концентрация инжектированных электронов убывает вследствие рекомбинации с дырками - основными

ШТЛ. Применение изопланарных структур с окисной боковой изоляцией (см. § 3.2) позволяет улучшить эти параметры. Однако в целом площадь элемента ИШЛ будет больше из-за необходимости формирования транзистора VT2, а быстродействие хуже вследствие накопления большего заряда избыточных неосновных носителей в режиме насыщения.

Описанный элемент памяти применяется в микросхемах памяти ТТЛ с невысокой степенью интеграции (порядка 4 Кбит). Его недостаток заключается в невысоком быстродействии. Время записи (от момента поступления импульса выборки на шину X' до установки триггера в нужное состояние) велико из-за процесса рассасывания избыточных неосновных носителей в транзисторе, переключающемся из режима насыщения в закрытое состояние. Время считывания велико вследствие малого тока /сч.

Если в схеме 3.4, а входное напряжение скачком изменяет полярность и становится равным — Е, то диод запирается не мгновенно. Заряд избыточных неосновных носителей в базе не может исчезнуть мгновенно, и сначала сопротивление диода мало, обратный ток близок к значению / = EIR ( 3.9). Под действием этого тока в течение короткого интервала времени tp («времени рассасывания»)

Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в оптическое излучение видимой части спектра. Явление свечения в светодиоде называют электролюминесценцией. Основой светодиодов является р-и-переход, смещенный внешним источником напряжения в проводящем направлении. При этом электроны из п-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями заряда, а дырки — во встречном направлении. В дальнейшем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей заряда с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического состояния Ес в энергетическое состояние ?„ с меньшим запасом энергии. В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика (соответственно 0,72 и 1,11 эВ), поэтому выделяемая при рекомбинации энергия передается кристаллической ре-

происходит накапливание избыточных неосновных носителей (дырок в транзисторе р-и-р-типа). Из-за этого выключение транзистора не может произойти сразу, так как требуется определенное время на рассасывание этих носителей в базе, что снижает быстродействие отключения транзисторного ключа. Итак, биполярный транзистор нельзя считать безынерционным прибором.

В рассматриваемой модели p-n-перехода предполагается, что изменение концентрации неосновных носителей в областях за границами перехода при небольшом прямом напряжении не нарушает электрическую нейтральность этих областей Это объясняется быстрой (за время диэлектрической релаксации) нейтрализацией заряда инжектированных неосновных носителей основными носителями, поступающими из внешней цепи. Предположим, что толщины нейтральных областей много больше диффузионной длины неосновных носителей в этих областях. Физические процессы при прямом напряжении p-n-перехода поясняет 2.7. На рис 2.7, а показаны направления движения основных носителей создающих прямой ток. Перемещение этих носителей через p-n-переход приводит к инжекции избыточных неосновных носителей — электронов в нейтральную р-область, а дырок в «-область. В нейтральных областях

около p-n-перехода неосновные носители движутся от его границ вследствие диффузии, вызванной возникшим градиентом этих носителей. Стационарные распределения концентраций избыточных неосновных носителей в этих областях &пр(х) и &рп(х) определяются из уравнений диффузии вида (1.26) при условиях, что на границах перехода, принятых за начало отсчета, концентрации определяются по (2.7) и (2.8), а в глубине нейтральных областей они стремятся к нулю вследствие рекомбинации. Решение уравнений диффузии имеет вид

ствием, так как при протекании туннельного тока время туннели-рования электронов сквозь потенциальный барьер р — п-перехода чрезвычайно мало, а процессы накопления и рассасывания избыточных носителей отсутствуют. Схема замещения обращенного диода аналогична схеме замещения туннельного диода ( 5.27),

Процесс выключения тиристора связан с исчезновением избыточных носителей заряда вследствие их рекомбинации и ухода носителей заряда через р—n-переход. Время выключения тиристора /выкл определяется как время, протекающее от момента, когда прямой ток через тиристор, снижаясь, достигает своего нулевого значения, до момента, когда тиристор способен выдержать прикладываемое в прямом направлении напряжение определенной амплитуды.

Время выключения характеризует быстродействие прибора с момента прекращения прямого тока через структуру до восстановления запирающих свойств (после исчезновения избыточных носителей заряда путем их рекомбинации в объеме баз и ухода через переходы) .Обычно время выключения на порядок превышает время включения и зависит от геометрических размеров и степени легирования толстой базы.

В качестве импульсных диодов используются точечные, плоскостные и микроплоскостные диоды. Исходный материал выбирают с малым временем жизни носителей заряда, т. е. с высокой концентрацией примесей. Благодаря этому удается получить малое время рассасывания избыточных носителей заряда.

Неравновесные носители заряда и их основные характеристики. Воздействие света, электрического поля и других факторов может привести к появлению дополнительных, избыточных по отношению к равновесным, концентраций свободных носителей, их называют неравновесными носителями заряда. При неизменной интенсивности внешнего фактора в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором скорости генерации и рекомбинации носителей заряда равны. В этих условиях концентрации избыточных носителей заряда равны: An = = п — п0 и Ар = р = рй, где пир — постоянные концентрации электронов и дырок при наличии внешнего фактора; п0 и р„ — то же, в отсутствие внешнего фактора, т. е. равновесные концентрации. Если в полупроводнике нет объемного заряда, то выполняется условие его электрической нейтральности:

Различают низкий и высокий уровни возбуждения полупроводника. При низком уровне возбуждения концентрация избыточных носителей заряда много меньше концентрации основных носителей, но может значительно превышать концентрацию неосновных носителей. При высоком уровне возбуждения концентрация избыточных носителей заряда значительно выше равновесных.

После прекращения воздействия внешнего фактора, вызывающего генерацию избыточных носителей заряда, их концентрации из-за рекомбинации быстро уменьшаются и достигают равновесных значений. Скорость, с которой протекает рекомбинация, определяется временем жизни неравно-* весных носителей заряда т.

Теория рекомбинации через локальные уровни была разработана Холлом, Шокли и Ридом. Для простейшей модели рекомбинации через одновалентный локальный уровень, в стационарных условиях и в предположении, что концентрация центров рекомбинации является небольшой по сравнению с концентрацией избыточных носителей заряда, они получили следующие выражения для скорости рассасывания

•-л- избыточных носителей заряда и времени жизни т неравновесных носителей заряда;

Из (2.25) видно, что Sn и Sp выражают относительную долю избыточных носителей заряда, ежесекундно рекомбинирующих в единице площади поверхности полупроводника, эти коэффициенты имеют размерность скерости и называются скоростями поверхностной рекомбинации электронов и дырок. Связь между скоростью поверхностной рекомбинации и временем жизни т в общем случае установить трудно, найдены решения этой задачи только для частных случаев.

Выражение (2.35) определяет закон убывания концентрации избыточных носителей заряда вдоль полупроводника в стационарных условиях. Величина ]/?>птп имеет размер-