Lebensdauer der Minderheitsträger? Warum ist es wichtig für die Schaltgeschwindigkeit der Geräte? Warum nicht Mehrheitsbetreiber?

Ich versuche zu verstehen, warum sich ein Siliziumingenieur für den Minority Life Time Carrier interessiert und wie sich der Minority Carrier auf die Schaltgeschwindigkeit des PN-Übergangs auswirkt. Warum geht es so sehr um die Lebenszeit von Minderheiten und nicht um Mehrheitsbetreiber?

Betrachtet man eine Diode in Reihe mit einem Widerstand R, der an eine Spannungsquelle angeschlossen ist $V_i$.

Sobald die Diode eingeschaltet ist und einen stationären Zustand erreicht hat, beträgt der Durchlassstrom $I_f = V_i/R$. Jetzt wird die Eingangsspannung plötzlich umgekehrt. Insbesondere wird der an die Diode angelegte Strom plötzlich umgekehrt$I_r$. Sie werden feststellen, dass sich der angelegte Strom gleichzeitig mit der Eingangsspannung umkehrt$V_i$, die Diodenspannung nicht. Dies liegt daran, dass die Minoritätsträger, die in der Verbindungsregion mit etabliert wurden$I_f$ muss zuerst herausgefegt werden (rekombiniert mit Ladung entgegengesetzter Polarität), so wie man zuerst einen Kondensator auf null Ladung und Spannung entladen müsste, bevor man ihn mit entgegengesetzter Polarität wieder aufladen könnte.

Dieser Effekt führt zu einer Speicherverzögerungszeit $t_s$(siehe: Revere Recovery Time ). Die Speicherzeit tritt immer dann auf, wenn eine Diode von Vorwärtsleitung auf Rückwärtsvorspannung umgeschaltet wird, und ist eine Folge der Speicherung überschüssiger Minoritätsträger in den neutralen Bereichen der Diode. Die Speicherverzögerungszeit kann verringert werden, indem die gespeicherten Träger schneller entfernt werden, was entweder durch Verringern der Lebensdauer τ oder durch Erhöhen des Rückstroms bewirkt wird$I_r$.

Die Anstiegs- / Abfallzeit der Umschaltung nimmt mit der Speicherzeit zu $t_s$, was von τ abhängt. Oder die Schaltgeschwindigkeit hängt von der Lebensdauer des Minoritätsträgers ab. Aus diesem Grund ist die Lebensdauer von Minoritätsträgern beim Wechseln von Anwendungen wichtig.

Siehe auch den Artikel Rekombinationszeit in Halbleiterdioden .

Intuitiv gesprochen:

Wenn eine Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, befindet sich aufgrund der Diffusion von Elektronen von der N-dotierten Seite in Löcher auf der P-dotierten Seite (die auch als Löcher angesehen werden können, die in diese diffundieren) eine "neutrale" Schicht um den PN-Übergang die N-Seite). Elektronen von der N-Seite werden zu Minoritätsträgern auf der P-Seite, und Löcher von der P-Seite sind Minoritätsträger auf der N-Seite.

Der neutrale Bereich ist der Schlüssel zur Umkehrung der Vorspannung, da er wie ein undotierter Kristall "aussieht": ein Nichtleiter anstelle eines Halbleiters: Er hat keine überschüssigen Elektronen oder Löcher, was die Bewegung der Ladung schwierig macht.

Wenn Sie eine Diode von Vorwärts- auf Rückwärtsvorspannung umschalten, muss sie in diesen Zustand zurückkehren, bevor sie tatsächlich aufhört zu leiten.

Die Lebensdauer eines Minoritätsträgers ist die durchschnittliche Zeit, die er vor dem Kombinieren im entgegengesetzt dotierten Kristall verbringen kann: Wie lange kann ein Elektron in einem P-dotierten Halbleiter "herumspringen", bevor es in ein Loch fällt, oder wie lange kann ein Loch bestehen bleiben in einem N-dotierten Halbleiter, bevor er mit einem zusätzlichen Elektron gefüllt wird.

Je länger diesmal, desto länger dauert es, den neutralen Bereich der Sperrvorspannung zu bilden, denn während die Minoritätsträger noch herumspringen, führen sie Strom.

Aus diesem Grund sind Minoritätsträger wichtig: Sie sind die "Oposite" -Träger auf der gegenüberliegenden Seite des Übergangs, die den "praktisch undotierten" Abschnitt erzeugen, der wie ein nichtleitendes Stück Silizium aussieht, sobald sie mit einem Majoritätsträger rekombinieren.

Die Mehrheitsbetreiber spielen keine Rolle, weil sie passiv sind: Es wird angenommen, dass sie nur im Gitter "sitzen" und auf den Minderheitsträger warten.

Warum Minderheitsträger eine Lebensdauer haben, ist, dass das Gitter nicht vollständig dotiert ist. Nur ein kleiner Teil der Atome hat ein Loch oder ein überschüssiges Elektron. Stellen Sie sich also ein Loch vor, das sich in einem N-dotierten Kristall bewegt. Während es in Siliziumatomen mit einer vollständigen Valenzschale herumspringt, kann es sich nicht niederlassen. Ein Loch in einem dieser Atome ist ein energiereicher, instabiler Zustand. Das Loch muss ein Arsenatom finden, das ein überschüssiges Elektron hat, um diese stabile Hülle von acht zu erzeugen. Das Atom zu finden ist nicht augenblicklich; es braucht Zeit. Ebenso muss ein zusätzliches Elektron ein Loch finden, in das es "fallen" kann: ein Galliumatom.