Расчет контактной разности потенциалов и барьерной ёмкости резкого p-n перехода

1. Теоретический вопрос

биполярный транзистор барьерный потенциал Объясните, почему даже при равенстве площадей эмиттера и коллектора биполярный транзистор нельзя считать полностью обратимым прибором.

Ответ:

Биполярный транзистор представляет собой двухпереходный прибор. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n типа, с взаимно противоположными рабочими полярностями.

Работа биполярного транзистора, в отличие от полевого транзистора, основана на переносе зарядов одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на рисунке 1.

Рис1. Схематическое устройство биполярного транзистора.

Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой — эмиттером. Такое название, как и у диодов, отражает факт инжекции неосновных носителей через переход. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой — коллектором.

Необходимо подчеркнуть, что транзистор представляет собой, вообще говоря, обратимый прибор, т. е. эмиттер и коллектор можно поменять местами, сохранив в той или иной мере работоспособность прибора. Такой вывод вытекает из однотипности крайних слоев. Однако в связи с несимметричностью слоев (площадь эмиттерного слоя меньше, чем площадь коллекторного слоя), а также различием материалов эмиттера и коллектора в большинстве типов транзисторов нормальное и инверсное включение неравноценны. Передача тока при инверсном включении значительно хуже, чем при нормальном. Причины этого следующие. Во-первых, в связи с малым легированием коллектора мала электронная составляющая коллекторного тока. Во-вторых, площадь реального коллектора значительно больше эмиттера, поэтому на эмиттер попадает лишь небольшая часть электронов, инжектированных коллектором.

2. Задача

Рассчитать контактную разность потенциалов и барьерную ёмкость резкого p-n перехода с площадью S=10^-3 см² и следующими параметрами:

Материал — арсенид галлия;

Приложенное напряжение — -1 В;

Температура — 400 К;

Концентрация легирующей примеси в p-области N_a — 10¹⁸ см^-3;

Концентрация легирующей примеси в n-области N_d — 10¹⁶ см^-3.

Решение:

Контактная разность потенциалов:

ц_к=kT/q*ln (N_a*N_d /n_i²) (В);

ц_к=400*1,37*10^-23/1,6*10¹⁹*ln (10¹⁸*10¹⁶/(1,5*10⁶)²)=6,871*10^-42 (В) Ширина ОПЗ p-n перехода:

X_d=(2ее₀*(ц_к-U)(N_a+ N_d)/ q N_a N_d)^½ (мкм);

X_d=(2*11*8,85*10^-14*(6,871*10^-42 +1)(10¹⁸+10¹⁶)/1,6*10¹⁹*10¹⁶*10¹⁸)^½=.

=9,78*10^-38 (мкм) Барьерная ёмкость p-n перехода:

C_бар=S*2ее₀/ X_d (пФ);

C_бар=10^-3*2*11*8,85*10^-14/9,78*10^-38=19,9*10²¹ (пФ) Ответ: ц_к=6,871*10^-42 (В); C_бар=19,9*10²¹ (пФ).

Список используемых источников

• 1. Физика полупроводниковых приборов в 2-х кн., пер. с англ., М., Мир 1984;
• 2. Никишин В. И. и др. Проектирование и технология производства мощных СВЧ транзисторов, М., Радио и связь. 1984;
• 3. http://studopedia.org/8−29 702.html