Концентрация положительных

Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора определяют зависимость тока стока /с от напряжения на стоке ?/си при постоянном потенциале затвора (U - const). Для транзистора с затвором в виде р-п -перехода семейство выходных характеристик приведено на 4.4 в первом квадранте. Здесь хорошо заметны два режима работы. Начальные участки характеристик (область /) близки к линейным, поскольку при малых уровнях напряжения на стоке канал еще не перекрывается объемным зарядом, а концентрация подвижных носителей заряда — электронов — зависит от напряжения на затворе. С возрастанием этого напряжения по абсолютной величине канал обедняется, а его сопротивление растет, что соответствует снижению наклона начальных участков ВАХ.

Температурная зависимость номинального значения сопротивления резистора определяется температурной зависимостью удельной объемной проводимости ov, которая для кремния /г- и р-типов представлена соответственно на 2.32, а, б. Если уровень легирования кремния велик и влиянием на электропроводность электронно-дырочных пар, образующихся за счет тепловой генерации из валентной зоны, можно пренебречь, то концентрация подвижных носителей заряда будет слабо зависеть от температуры. Для кремния р-типа при произвольной температуре удельная проводимость

Таким образом, соотношение (2.102) справедливо только в предположении, что область объемного заряда полностью лишена подвижных носителей заряда. В действительности концентрация подвижных носителей заряда убывает по экспоненциальному закону и, следовательно, вблизи границ области объемного заряда подвижные носители удалены не полностью. Однако концентрация подвижных носителей заряда в области объемного заряда уменьшается очень быстро и при U(x)>2,3(kT/q) составляет менее 0,1 от их концентрации на границе области.

Закономерности движения носителей заряда. Концентрация носителей заряда в электронном объеме полупроводника может изменяться за счет генерации и рекомбинации носителей, а также при возбуждении полупроводника (например, при освещении, действии внешнего электрического или магнитного поля). При возбуждении полупроводника концентрация подвижных носителей заряда - электронов (п) и дырок (р) превышает равновесную концентрацию (и0 и ра). Это приводит к увеличению проводимости полупроводника. Электроны или дырки проводимости, не находящиеся и термодинамическом равновесии, называются неравновесными носителями заряда.

Очевидно, МДП структура получится, если непосредственно на подложку последовательно нанести диэлектрический и металлический слои. Такой случай реализуется, если в структуре, показанной на 16.20,6, отказаться от создания области с проводимостью «-типа, расположив там часть подложки р-тнпа. Теперь, если к затвору приложить достаточно большой положительный заряд, то по закону электростатической индукции в канале индуцируется соответствующий отрицательный заряд, увеличивается концентрация подвижных носителей и-типа и возникает проводящий канал. Такой транзистор получил название МДП ПТ с индуцированным каналом и-типа. Области п+ используются для создания низкоомных омических (невыпрямляющих) контактов стока и истока. Они же препятствуют протеканию существенного тока между выходными электродами ПТ при нулевом или отрицательном заряде на затворе. Это объясняется тем, что и+-области и часть р-подложки образуют два последовательно встречно включенных между истоком и стоком электронно-дырочных перехода.

Пусть по каким-либо причинам концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в различных его точках неодинакова и в какой-либо части образца будет избыток носителей -+- Др; -)- Д п. Если при этом тело образца электрически нейтрально и в любой его микрообласти сумма положительного и отрицательного зарядов равна нулю, то в соответствии с общими законами теплового движения в полупроводнике возникает диффузия микрочастиц из области большей их концентрации в область с меньшей концентрацией. Так как диффундирующие микрочастицы несут заряд, то в результате диффузии в полупроводнике появится электрический ток. 'Этот ток называется диффузионным ( 3.3). В общем случае в полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и неравномерная концентрация носителей заряда. Тогда ток, протекающий в полупроводнике, будет иметь как дрейфовую, так и диффузионную компоненты /Р = /р диф + /р др; /„ =/пдиф + Л. ДР.

иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области п-типа в ней образуется нескомпенсированный положительный заряд иона донорной примеси ( 16.11, одинарный кружок — свободные заряды; двойной — ионы). Нескомпенсированные заряды образуются также и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации М'Зжду свободными носителями заряда и неподвижными ионами при-мгси. В результате вблизи границы раздела областей создается двойной объемный слой пространственных зарядов, который называют р-п-переходом. Этот слой обеднен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями р- и n-типов. Часто этот слой шоывают запирающим. Однако надо отметить, что концентрация подвижных носителей в p-n-переходе изменяется плавно и существенно обеднен подвижными носителями заряда только средний слой перехода, где их концентрация примерно на несколько порядков меньше. Поэтому обедненный, или запирающий, слой несколько уже р-к-перехода.

а — энергетическая диаграмма перехода; 6 — концентрация подвижных зарядов; в — распределение потенциала; г — напряженность поля; 9 — концентрация неподвижных зарядов.

10-7. Энергетическая диаграмма р-1 перехода при равновесии (а) и концентрация подвижных носителей зарядов (б).

о — концентрация подвижных носителей зарядов; б — распределение потенциала; в — напряженность поля; г — концентрация неподвижных зарядов.

цируется заряд подвижных носителей (дырок или электронов в зависимости от типа канала), сопротивление канала уменьшается (канал открыт); чем больше концентрация подвижных носителей, тем меньше сопротивление канала и тем большая мощность передается в нагрузку.

Предположим, что в запрещенной зоне полупроводникового материала имеются донорные и акцепторные примесные уровни с энергией Ed, Ea и концентрацией Na, Na, причем Nd>Na. Концентрация отрицательных зарядов определяется суммарной концентрацией электронов по в зоне проводимости и концентрацией электронов на уровнях акцепторной примеси. Будем считать, что каждый атом акцепторной примеси захватывает только один электрон. Концентрация положительных зарядов складывается из дырок валентной зоны Ро и тех атомов донорной примеси, которые отдали свои электроны в зону проводимости. Концентрация электронов на

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы. Это объясняется тем, что электронные лавины оставляют . на своем пути большое число вновь образованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода. Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения (близкого к 101 ионов в 1 см3), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительным пространственным зарядом в головную часть положительного стримера и, в-третьих, вследствие ионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Обычно пробой газа совершается практически мгновенно: длительность подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет 10"7 - 10~8 с. Чем больше напряжение, приближенное к газовому промежутку, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается. Электрическая прочность

После того как тлеющим разрядом охватывается вся поверхность катода, по мере повышения анодного напряжения тлеющий разряд переходит в дуговой. В режиме дугового разряда газ полностью ионизирован и светящаяся плазма занимает практически весь объем лампы. Катод интенсивно бомбардируется ионами, сильно разогревается и начинает излучать термоэлектроны. Большая концентрация положительных ионов вблизи катода приводит к автоэлектронной эмиссии, а свечение плазмы вызывает фотоэлектронную эмиссию с катода. Поэтому с поверхности катода эмиттируется электронный ноток большой плотности, анодный ток резко возрастает и ограничивается лишь мощностью источника анодного питания, сопротивлением подводящих проводов и нагрузки. Падение напряжения в промежутке анод—катод уменьшается до минимального значения, определяемого потенциалом ионизации заполняющего лампу газа. Баллоны плазменных радиоламп заполняются инертными газами: гелием, неоном, аргоном, криптоном, ксеноном и их смесями, а также водородом, парами ртути, цезия, натрия и т. д. При ионизации этих газов образуются в основном положительные ионы. Кроме того, эти газы практически не вступают в химические соединения с материалами анода и катода, вследствие этого срок службы плазменных ламп доходит до нескольких десятков — сотен тысяч часов.

лавиной избыточным объемным зарядом настолько велико, что последующие лавины развиваются преимущественно по направлению развития начальной лавины ( 4.10), а число электронов в последующих лавинах значительно превышает NeH. В результате возникает последовательный ряд большого числа воспроизводимых путем фотоионизации электронных лавин, сдвинутых относительно друг друга в пространстве и времени, получивший название стример. При большом числе параллельно развивающихся лавин область наивысшей интенсивности ионизации продвигается быстрее (до 106—107 м/с), чем движутся электроны по каналу стримера во встречном направлении. Диаметр ионизованной стримером области (канала) не превышает долей миллиметра. Концентрация положительных ионов в канале стримера ~ 1013—1014 1/см3. После пересечения каналом стримера всего промежутка завершается стадия его электрического пробоя. Проходя по каналу стримера, ток разогревает его, что приводит к преобразованию искрового канала в электрическую дугу.

где пи, п(, — концентрация положительных ионов и электронов, 1/м3; Ьк и Ье — подвижность положительных ионов и электронов, м2/(с • В).

Рассмотрим картину образования p-n-перехода. При этом для простоты будем считать, что p-n-переход образован в результате соприкосновения двух полупроводников р- и и-типов и концентрации электронов в области n-типа и дырок в области р-типа равны. При комнатной температуре практически все атомы примесей полупроводника ионизированы: в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов Na равна концентрации свободных дырок рр, а в области л-типа концентрация положительных ионов доноров Nd равна концентрации свободных электронов и„. Кроме того, в каждой области имеется небольшое количество неосновных носителей. При создании p-n-перехода (упрощенно — при соприкосновении областей р- и и-типов) равенство между количеством ионов и свободных носителей заряда нарушается. Так как между областями р- и и-типов существует значительная разница в концентрации дырок и электронов, происходит диффузия дырок в область и-типа и электронов — в область р-типа.

Открытая электрическая дуга сопровождается выделением большого количества светящихся газов, представляющих собой пламя дуги. Эти газы занимают большой объем. В их существовании можно убедиться, рассматривая кадры ускоренной киносъемки ( 6-14) отключения тока контактором. К моменту времени, соответствующему кадру 12, ток в цепи прекратился, дуга погасла, а оставшееся пламя дуги продолжает существовать (светиться) еще значительное время — кадры 12 — 18. Причина возникновения пламени заключается в высокой температуре газов, окружающих дугу или проходящих через нее. Эта температура вызывает тепловую ионизацию и свечение всего объема, занятого ионизированным газом. В нем имеет место одинаковая концентрация положительных и отрицательных частиц, и поэтому пространственный заряд пламени практически равен нулю. Большая концентрация заряженных частиц приводит к большой проводимости пламени, приближающей его по свойствам к проводнику. Присутствие паров меди в пламени сильно способствует его поддержанию в течение сотых и даже десятых долей секунды после погасания дуги. Борьба с пламенем именно этого рода представляет собой важную задачу при построении дугогасительных устройств.

Таким образом, механизм дуги можно представить себе следующим. Из катода в результате высокой степени его разогрева (термоэлектронная эмиссия) или наличия около его поверхности больших на-пряженностей электрического поля (106—Ю-7 в/см — автоэлектронная эмиссия) вырывается поток электронов. Первый случай имеет место для материалов катода с высокой температурой плавления и испарения металла (уголь, графит, вольфрам, молибден), благодаря чему температура на их поверхности может достигать в катодных пятнах значений 2500—3000° С и выше, когда начинается заметная термоэлектронная эмиссия. Второй случай соответствует материалам с низкой температурой кипения и испарения (ртуть, титан, медь). В области катодного падения поток электронов разгоняется настолько, что за ее пределами происходит интенсивная ионизация частиц газа в дуговом промежутке, причем здесь, по-видимому, весьма существенна роль ступенчатой ионизации. Образовавшиеся положительные ионы под действием поля направляются к катоду и разогревают его; вторичные и первичные электроны направляются через столб дуги в направлении анода. На их пути происходят новые соударения (главным образом термическая ионизация) и образование новых заряженных частиц, что компенсирует их исчезновение в более холодных частях столба путем рекомбинации и диффузии. При попадании на анод отрицательные частицы нейтрализуются, выбивая из него некоторое количество положительных ионов, устремляющихся через столб дуги к катоду. Плазма столба в целом нейтральна, т. е. концентрация положительных и отрицательных частиц одинакова, но из-за того, что подвижность электронов по

Поле в базе диода. В § 10-1 при рассмотрении физических процессов в р-п переходе было показано, что в результате инжекции в базе у границы запирающего слоя образуется избыточная концентрация положительных зарядов — дырок. Вследствие этого в базе возникает внутреннее электрическое поле, вектор напряженности §б которого направлен от перехода в толщу базы. Под воздействием этого поля из толщи базы к переходу движутся электроны, образуя у перехода объемный заряд, примерно равный заряду дырок.

Поле в базе диода. В § 10-1 при рассмотрении физических процессов в р-п переходе было показано, что в результате инжекции в базе у границы запирающего слоя образуется избыточная концентрация положительных зарядов — дырок. Вследствие этого в базе возникает внутреннее электрическое поле, вектор напряженности §б которого направлен от перехода в толщу базы. Под воздействием этого поля из толщи базы к переходу движутся электроны, образуя у перехода объемный заряд, примерно равный заряду дырок.

сокой температуре газов, окружающих дугу или проходящих через нее. Эта температура вызывает тепловую ионизацию и свечение всего объема,,, занятого ионизированным газом. В нем имеет место одинаковая концентрация положительных и отрицательных частиц, и поэтому пространственный заряд пламени практически равен нулю. Большая концентрация заряженных частиц приводит к большой проводимости пламени, приближающей его по свойствам к проводнику. Присутствие паров меди в пламени сильно способствует его поддержанию в течение сотых и даже десятых долей секунды после погасания дуги. Борьба с пламенем именно этого рода представляет собой важную задачу при построении дугогасительных устройств.