Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 199
Скачиваний: 3
§ 4. Процессы при обратном смещении |
217 |
§ 4. ПРОЦЕССЫ ПРИ ОБРАТНОМ СМЕЩЕНИИ
1. Ток насыщения и фотопроводимость
В п. 1 § 2 гл. 8 мы видели, что приложение обратного смещения к переходу с сильно легированными областями приводит к тунне лированию электронов из p-области на пустые состояния в зонепроводимости п-области. Однако если одна из областей или обе области перехода не сильно легированы, то слой объемного заряда слишком широк, чтобы при приложении небольших обратных
Ф и г. 8.31. |
Потоки носителей в р — |
Ф п г. 8.32. |
Вольт-амперпая ха- |
л-переходе |
при обратном смещении. |
рактеристика |
идеального р — п- |
|
|
перехода. |
|
смещений возникало туннелирование. Поэтому единственной при чиной тока в этом случае является миграция неосновных носите лей к переходу. Скорость термической генерации дырок еди ницей объема /г-областп равна p n/xh, где рп — концентрация дырок в п-области и тл — время жизни дырок. Подобным же обра зом скорость термической генерации электронов в p-области равна пр/хе. Дырки диффундируют к переходу с расстояния, приблизитель но равного диффузионной длине для дырок L h, так что плотность дырочного тока — qLhp n/xh (фиг. 8.31). Аналогично плотность электронной составляющей тока из p-области равна qLenplxe. Мы можем заменить Ых на DIL, где D h — коэффициент диффузии
для дырок, который связан с L h и |
соотношением L h = ~YDhxh |
(аналогично для электронов Le = |
D exe). Тогда общая плотность |
тока через переход равна |
|
В идеале в некотором диапазоне напряжений величина обратногосмещения влияет только на протяженность области обеднения. В большинстве полупроводников область обеднения гораздо уже, чем любая из диффузионных длин. Следовательно, основной вклад
I
218 |
Глава 8. Процессы, в р — п-переходах |
вток дают носители, генерируемые на расстоянии не более чем
водну диффузионную длину от границы обедненного слоя, и если концентрация неосновных носителей в каждой из областей одно родна, то изменение смещения не вызывает изменения тока.
Поэтому, как показано на фиг. 8.32, обратный ток |
насыщается |
и остается постоянным до пробоя при напряжении |
V в . |
В действительности ток ие совсем постоянен, а слегка нарастает со смещением. Небольшой прирост обратного тока — ток «утеч ки» — обусловлен главным образом двумя причинами: 1) поверх ностной генерацией неосновных носителей в том месте, где пере ход выходит на поверхность полупроводника, и 2) генерацией неосновных носителей в обедненном слое [44].
Концентрацию неосновных носителей можно увеличить с по мощью оптической генерации электронно-дырочных пар. Если оптическое возбуждение происходит в пределах диффузион ной длины от перехода, то ток насыщения возрастает. Этот механизм называется «фотопроводимостью». Фотопроводимость есть изменение сопротивления полупроводника или изолятора, обусловленное оптической генерацией избыточных носителей. Данный эффект не является уникальным свойством р — и-пере- хода, но тем не менее его оказывается возможным измерить толь ко в присутствии тянущего электрического поля. В объемных фотопроводящих материалах, не содержащих р — д-перехода, на характер переноса сильно влияют явления захвата носителей, в то время как в р — /г-переходах внутреннее поле обычно доста точно сильно, чтобы опустошить ловушки. Ловушки будут обсуж даться в гл. 17.
Мы не будем останавливаться на фотопроводимости, так как на эту тему уже написано несколько превосходных книг [45]. Фотопроводимость есть комбинация оптического возбуждения и явлений переноса. Созданные оптическим возбуждением носи тели движутся под действием приложенного электрического поля. Оптическая генерация уже обсуждалась в гл. 3, посвященной поглощению. Перенос носителей осложнен эффектами захвата и разнообразными процессами рассеяния. Так как свет может также возбуждать носители из ловушек, то при одновременном освещении полупроводника фотонами с различными энергиями может возникать целый ряд эффектов: нестабильности, осцилля ции, фотосопротивление и другие.2
2.Зинеровскпй пробой
Всильном электрическом поле может происходить туннелиро вание электронов сквозь запрещенную зону [46]. Возникновение
такого туннельного тока называется «зинеровским пробоем». Мы видели, что в сильно легированных р — д-переходах присут-
§ 4. Процессы при обратном смещении |
219 |
ствуют электрические поля с высокой напряженностью и прило жение малых прямых пли обратных смещений, вызывающих откло нение от равновесия, приводит к туннелированию электронов через переход. Этот механизм переноса носителей между двумя сильно легированными областями полупроводника является, сле довательно, зинеровским туннелированием. Теоретическое рас
смотрение этого |
процесса читатель может найти в [47, 48]. |
В переходах |
со слабо легированными областями равновесное |
электрическое поле перехода слишком слабо, чтобы вызвать зинеровское туннелирование. Однако при возрастании обратного смещения У ширина обедненного слоя возрастает как У1/2 для резких и как У1/-1 для плавных переходов. Таким образом, соот ветствующие поля в р — 7г-переходах увеличиваются как У1/2 или У2/з. В конце концов внутреннее поле становится достаточно сильным (ІО7 В/см [49]), чтобы вызвать зинеровское туннелиро вание. При этом ток резко увеличивается и растет очень быстро с возрастанием смещения. Этому процессу соответствует напря жение Ѵв на фиг. 8.32. В резких переходах с умеренно или сильно легированными областями зиперовский пробой обычно наблю дается при напряжениях, меньших 5 В.
Зинеровский пробой настолько надежный процесс, т. е. Ув настолько стабильно, а изменение импеданса так велико, что это явление широко используется в «зинеровских диодах» для полу чения эталонного напряжения, которое не меняется при измене нии тока. Зинеровские диоды часто помещают в чувствительные цепи, чтобы предохранить их от сильных выбросов напряжения, таких, например, как искровые помехи. Следует отметить, что многие коммерческие, так называемые «зинеровские диоды» работают в режиме лавинного пробоя, который будет обсуждаться
вследующем пункте.
3.Лавинный пробой
Хотя зинеровский пробой и должен быть конечной причиной резкого возрастания обратного тока при увеличении отрицатель ного смещения, обычно в слабо легированных диодах раньше наступает другой механизм пробоя — лавинный [50].
а. Механизм лавинного пробоя
Если неосновной носитель, например электрон, участвующий в токе насыщения, ускорится электрическим полем перехода до кинетической энергии, равной или больше чем g, то он сможет передать некоторую часть этой энергии электрону из валентной зоны и забросить его в зону проводимости. При этом событии обра зуется электронно-дырочная пара, а первичный электрон терма-
220 |
Глава 8. Процессы в р — п-переходах |
лизуется на дно зоны проводимости. Теперь имеется два электрона и дырка, которые могут «разогреваться» полем перехода. Когда они в свою очередь приобретут кинетическую энергию порядка 3/2і?г, каждый из них сможет создать дополыытельиую пару, и этот
Ф и г. 8.33. Схема механизма лавниного пробоя р — «-перехода.
1 — разогретый полем электрон; г — излучение фотона; з — поглощение этого фотона; 4 — излучение фотона при рекомбинации горячих носителей.
процесс будет повторяться много раз, развиваясь как лавина Несколько этапов такого процесса пробоя показано на фиг. 8.33.
Лавинпый пробой часто локализуется в нескольких точках, называемых «микроплазмами», которые могут быть видимы бла годаря излучательной рекомбинации, сопровождающей генера цию электронно-дырочных пар. Каждая микроплазма действует периодически, давая вклад в ток импульсами [50]. Имеется много данных, говорящих о том, что микроплазмы образуются в местах дислокаций, преципитатов или пегомогенностей, расположенных внутри обедиеиного слоя (см. обзор [51]). Примером могут слу жить преципитаты S i0 2 в кремнии, которые создают области
К о н ц ен т р а ц и я носит елей в б а зе, см
Ф и г . 8.34. Теоретические п экспериментальные значения напряжения пробоя для резких и почти резких диодов из GaAs, полученных диффузией цинка, как функция концентрации носителей в более слабо легированной базовой области [51].
Фи г . 8.35. Теоретические и |
экспериментальные значения напряжения |
пробоя для плавных диодов из |
GaAs как функция градиента концентрации |
примеси [51].
222 Глава 8. Процессы в р — п-переходах
с низкой диэлектрической проницаемостью; присутствие в слое объемного заряда таких преципитатов вызывает локальное усиле ние электрического поля вокруг них [52].
Лавинный пробой происходит беспорядочными вспышками, сумма которых дает интенсивный широкий по спектру шум [53].
Лавинный пробой имеет вольт-амперную характеристику, при
которой ток пропорционален некоторой степени |
напряжения; |
эта степень меняется в пределах от 3 до 6. |
|
Вольт-амперная характеристика при переходе |
к лавинному |
пробою обнаруживает более плавный излом, чем в случае зиие-
ровского пробоя. Обратный ток I R |
дается эмпирическим |
соот |
||
ношением |
|
|
|
|
|
|
I R = M IS |
|
|
где |
I s — ток насыщения, |
а М — коэффициент умножения |
[54]: |
|
|
М |
1 |
(8.47) |
|
|
|
|||
|
|
I - ( K RA'B)'1 |
|
|
В |
последнем выражении VR — напряжение обратного смещения, |
|||
VR — напряжение пробоя |
перехода |
(соответствующее М-*- |
оо); |
|
п имеет значение от 3 до 6. Зависимость Ѵв от концентрации носи телей в слабее легированной области перехода показана на фпг. 8.34. Зависимость напряжения пробоя от градиента кон центрации примеси в переходе показана па фпг. 8.35.
б.Твердотельный фотоумножитель (или фотопрнемннк с умножением)
Ток насыщения I s может быть увеличен освещением. При VR, близком к Ѵв, когда коэффициент умножения велик, фототок усиливается. Этот эффект был использован для создания чув ствительного быстродействующего приемника света [59].
Для получения максимальной чувствительности коэффициент умножения должен быть как можно больше. Поэтому нужны пере ходы, не содержащие таких дефектов, как дислокации и преципи таты. Кроме того, должны быть исключены краевые эффекты: в месте выхода перехода на поверхность, как правило, возникают большие токи утечки. Краевые эффекты сводятся к минимуму при использовании структур с защитным кольцом, как показано на фиг. 8.36. Активная область в таких структурах окружена р — п- переходом, в котором p-область слабее легирована, чем р-слой в активной области приемника. Следовательно, лавинный пробой будет осуществляться в центральной области раньше, чем на пери ферии. Зависимость чувствительности от обратного смещения для прибора, изображенного па фиг. 8.36, показана на фиг. 8.37. Был получен коэффициент умножения, превышающий 300.
