Полупроводниковые диоды

Электронно-дырочным пере­ходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая -дырочную электропроводность.

Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть раз­личным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диф­фузионные диоды), эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные перехо­ды могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоско­стными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом - не пропускает.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 2.1а. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную прово­димость (N-область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (Р-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Электроны в N-области стремятся проникнуть в Р-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р-области перемещаются в N-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возни­кает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через гра­ницу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препят­ствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и Р-областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе при­ведено на рис. 2.1 б.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное элект­рическое поле E собств, направление которого показано на рис. 2.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное из­менение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов N- и Р-областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

где j T = kT/q - тепловой потенциал,

N n и Р р - концентрации электронов и ды­рок n - и p - областях,

n i , - концентра­ция носителей зарядов в нелегирован­ном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6... 0,7 В, а для кремния - 0,9... 1,2 В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложени­ем внешнего напряжения к р-п- переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, кото­рое совпадает с внутренним, то вы­сота потенциального барьера увели­чивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшает­ся.

Рис. 2.1. Резкий р-n- переход и распределение объемного заряда в нем

Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает пол­ностью

Вольт-амперная характеристика p-n -перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности приложенного напряжения. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его - обратным.

Приложение прямого и обратного напряжения к p-n-переходу показано на рис. 2.2.

Обратный ток в p-n-переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попа­дают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентра­ция основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей прак­тически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, об­ратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенци­ального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряже­ния на переходе.

Этот ток называется током насыщения и обозначается

I обр = I S .

При прямом смещении р-n-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер.

Пройдя p-n-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителя­ми. Концентрация неосновных носителей при этом может су­щественно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Та­кое явление носит название инжекции носителей.

Таким образом, при проте­кании прямого тока через пере­ход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из ды­рочной области будет происхо­дить инжекция дырок. Диффузи­онный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивает­ся экспоненциально:

где U - напряжение на p-n-переходе.

Рис 2 Приложение обратного (а) и прямого (б) напряжений к р-n-переходу

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, про­текающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока (2.2) и тока проводимости:

Уравнение (2.3) называется уравнением Эберса - Молла, а соответствующая ему вольт-амперная характеристика р-n-перехода приведена на рис. 2.3. Поскольку при T=300К тепловой потенциал j т =25мВ, то уже при U = 0,1 В можно считать, что

Дифференциальное сопротивление p-n-перехода можно определить, воспользовав­шись формулой (2.3):

откуда получаем

Так, например, при токе I = 1А и j Т = 25 мВ дифференциальное сопротивление пере­хода равно 25 мОм.

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной разно­сти потенциалов y к. Обрат­ное напряжение ограничива­ется пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возни­кает за счет лавинного раз­множения неосновных носи­телей и называется лавинным пробоем. При лавинном про­бое p-n-перехода ток через переход ограничивается лишь сопротивлением питающей р-п-переход электрической цепи (рис. 2.3).

Полупроводниковый р-п-переход, имеет емкость, ко­торая в общем случае опре­деляется как отношение при­ращения заряда на переходе к приращению падения на­пряжения на нем, т. е.

C=dq/du .

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной и оп­ределяется по формуле

где y К - контактная разность потен­циалов,

U - обратное напряжение на переходе,

С 6ар (0) - значение барьерной емкости при U=0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полу­проводникового кристалла.

Зависи­мость барьерной емкости от приложен­ного напряжения приведена на рис. 2.4. Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n-переходе, однако она шунтиру­ется низким дифференциальным со­противлением r диф.

Рис. 2.4 Зависимость барьерной емкости от напряжения на p-n-переходе

При прямом смеще­нии p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямо­го тока I и времени жизни неосновных носителей t р. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости можно определить по формуле

Полная емкость перехода при прямом смещении определяется суммой барьер­ной и диффузионной емкостей

При обратном смещении перехода диффузионная емкость отсуствует и полная емкость состоит только из барьерной емкости.

Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) p-n-переходов. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямитель­ные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления пе­ременного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства р-n-переходов; явле­ние пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивле­нием и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади ^-л-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материа­лом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металли­ческой подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до не­скольких МГц.

При большом токе через p-n-переход значительное напряжение падает в объе­ме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом выражения (2.4) вольт-амперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называ­ют последовательным сопротивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 2.5 а, а его структура на рис. 2.5 б. Электрод диода у подключенный к области Р, называют анодом (по анологии с электровакуумным диодом), а электрод, под­ключенный к области N, - катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 2.5 в.

Рис. 2.5. Условное обозначение полупроводникового диода (а), его структура (б) и вольт-амперная характеристика (в)

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

Падение напряжения U np на диоде при некотором значении прямого тока;

Обратный ток I о6р при некотором значении обратного напряжения;

Среднее значение прямого тока I пр ср;

Импульсное обратное напряжение U о6ри.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

Время восстановления t вос обратного напряжения;

Время нарастания прямого тока I нар;

Предельная частота без снижения режимов диода f max .

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристи­ке диода, которая приведена на рис. 2.5 в. Типовые значения статических парамет­ров силовых диодов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Статические параметры силовых выпрямительных диодов

Время обратного восстановления диода t вост является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно опре­деляется при переключении диода с заданного прямого тока I пр на заданное об­ратное напряжение U о6р. Графики такого переключения приведены на рис. 26 б. Схема испытания, приведенная на рис. 26 б, представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку R H и питаемый от источ­ника напряжения прямоугольный формы.

Напряжение на входе схемы в момент времени?=0 скачком приобретает положительное значение U m . Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени t m . Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после 4а Р становится равным £/ вр. В момент времени t t в цепи устанавливается стационар­ный режим, при котором ток диода i=I s ~U m /R B .

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t 2 , когда поляр­ность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе ^-и-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на прбишополож-ное. По существу, происходит рассасывание зарядов на гранйке5" (рчмгерехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывания /,„

начинается процесс выключения диода, т. е. процесс восстановления его запираю­щих свойств,

К моменту времени < 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальней­шем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени и, после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным 1^, а напряжение достигает значения -U m . Таким образом, время t^ можно отсчитывать от перехода U a через нуль до дости­жения током диода значения 1^.

Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода пока­зывает, что он не является идеальным вентилем и в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Время рассасывания неосновных носителей в /?-и-переходе можно определить по формуле

где х р - время жизни неосновных носителей.

Время восстановления обратного напряжения на диоде можно оценить по приближенному выражению

Следует отметить, что при R a =0 (что соответствует работе диода на емкостную нагрузку) обратный ток через диод в момент его запирания может во много раз превы­шать ток нагрузки в стационарном режиме.

Из рассмотрения графиков рис. 2.6 а следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и, особенно, при выключении. Следова­тельно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямленного напряже­ния. При работе диода на низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют и потери в диоде резко снижаются.

При изменении температуры корпуса диода изменяются его параметры. Эта зави­симость должна учитываться при разработке аппаратуры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Температурный коэф­фициент напряжения (ТКН) на диоде имеет отрицательное значение, так как при уве­личении температуры напряжение на диоде уменьшается. Приближенно можно счи­тать, что ТКН U up =-2mB/K.

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10°С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых - 2,5 раза.

Потери в выпрямительных диодах можно рассчитывать по формуле

где Р 11р - потери в диоде при прямом направлении тока, Р^ - потери в диоде при обратном токе, Р, к - потери в диоде на этапе обратного восстановления.

Рис. 2 6 Графики процессов отпирания и запирания диода (а) и схема испытания (б)

Приближенное значение потерь в прямом направлении можно рассчитать по фор­муле

где /„pep и {/„pq, - средние значения прямого тока и прямого напряжения на диоде. Аналогично можно рассчитать потери мощности при обратном токе:

И, наконец," потери на этапе обратного восстановления определяются по формуле

где/"- Частота "переменного напряжения.

После расчета мощности потерь в диоде следует определить температуру корпуса диода по формуле

где Г пмакс = 150°С - максимально допустимая температура кристалла диода, R nK - теп­ловое сопротивление переход-корпус диода (приводится в справочных данных на диод), Г к макс - максимально допустимая температура корпуса диода.

Диоды с барьером Шотки Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо р-и-перехода используется контакт металлической поверхности с полу­проводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с р-я-перехОдом по следующим параметрам:

Более низкое прямое падение напряжения;

Имеют более низкое обратное напряжение;

Более высокий ток утечки;

Почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проекти­ровании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих времени на обратное восстановле­ние, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150В. При этом напряжении прямое напряжение ДШ меньше прямого напряжения диодов с р-и-переходом на 0,2...0,3В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямле­нии малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4...0,6В, а при том же токе диод с />-л-переходом имеет падение напряжения 0,5...1,0В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3...0,4В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10...15%. Максимальная рабочая частота ДШ превышает 200 кГц при токе до 30 А.

Похожая информация.

Граница между двумя соседними областями полупроводника, одна из которых обладает проводимостью n-типа, а другая p-типа, называется электронно-дырочным переходом (p-n-переходом). Он является основой большинства полупроводниковых приборов. Наиболее широко применяются плоскостные и точечные p-n-переходы.

Плоскостной p-n-переход представляет собой слоисто-контактный элемент в объеме кристалла на границе двух полупроводников с проводимостями p- и n-типов
(рис. 1.2, а). В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем применяются переходы типа р+- n- или р- п+ переходы. Индекс «+» подчеркивает большую электропроводность данной области монокристалла.

Рис. 1.2 Плоскостный (а) и точечный (б) p-n переходы

Рассмотрим физические процессы в плоскостном p-n-переходе (рис. 1.3). Поскольку концентрация электронов в полупроводнике n-типа значительно больше, чем в полупроводнике p-типа и, напротив, в полупроводнике p-типа высокая концентрация дырок, то на границе раздела полупроводников создается перепад (градиент) концентрации дырок dp/dx и электронов dn/dx. Это вызывает диффузионное перемещение электронов из n-области в p-область и дырок в противоположном направлении. Плотности дырочной и электронной составляющих диффузионного тока, обусловленных перемещением основных носителей, определяются выражениями:

где Dn и Dp – коэффициенты диффузии соответственно электронов и дырок.

Общая плотность тока через p-n-переход определяется суммой диффузионных и дрейфовых составляющих плотностей токов, которые при отсутствии внешнего напряжения равны. Так как диффузионный и дрейфовый потоки зарядов через p-n-переход перемещаются во встречном направлении, то они компенсируют друг друга. Поэтому в равновесном состоянии общая плотность тока через p-n-переход равна

Наличие двойного электрического слоя обусловливает возникновение в p-n-переходе контактной разности потенциалов, претерпевающей наибольшее изменение на границе полупроводников n-p-типов и называемой потенциальным барьером jк. Величина потенциального барьера определяется уравнением

где jТ = kT/q – тепловой потенциал (при нормальной температуре, т. е. при T =300 К jТ » » 0,026 В); рп и np – концентрация дырок и электронов в полупроводниках n- и р-типов. У германиевых переходов jТ = (0,3 – 0,4) В, у кремниевых jТ = (0,7 – 0,8) В.

Если подключить к p-n-переходу источник внешнего напряжения таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника n-типа, а минус – к области полупроводника p-типа (такое включение называют обратным, рис. 1.4), то обедненный слой расширяется, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки смещаются от p-n-перехода в разные стороны. При этом высота потенциального барьера также возрастает и становится равной jк+ u (рис. 1.5), поскольку напряжение внешнего смещения включено согласно контактной разности потенциалов.

Рис 1.4 Обратное смещение перехода

Рис 1.5 Изменение потенциального барьера

Так как напряжение внешнего источника прикладывается встречно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер снижается на величину u (см.
рис. 1.7), и создаются условия для инжекции основных носителей – дырок из полупроводника p -типа в полупроводник n -типа, а электронов – в противоположном направлении. При этом через p —n -переход протекает большой прямой ток, обусловленный основными носителями заряда. Дальнейшее снижение потенциального барьера ведет к росту прямого тока при неизменном значении обратного дрейфового тока.

В процессе технологической обработки кристалла примесь вводится таким образом, что ее концентрация, а следовательно, концентрация основных носителей в одной из областей кристалла (обычно в полупроводнике p-типа) на два-три порядка превышает концентрацию примеси в другой области. Область с высокой концентрацией примеси (низкоомная область) является основным источником носителей подвижных зарядов через p —n -переход и называется эмиттером. Область с низкой концентрацией примеси является высокоомной и называется базой. Поэтому доминирующей составляющей прямого тока, протекающего через p —n -переход и состоящего из электронной и дырочной составляющих, будет та, которая определяется основными носителями зарядов области с более высокой их концентрацией

I пр = I p + I n = I 0 (e U пр / j Т — 1). (1.11)

При |U пр | >> j Т переход по существу исчезает и ток ограничивается лишь сопротивлением (единицы и даже десятки ом) базовой области r б .

Вольтамперная характеристика (ВАХ) p —n -перехода, построенная на основании выражений (1.10) и (1.11), имеет вид, показанный на рис. 1.8. Область ВАХ, лежащая в первом квадранте, соответствует прямому включению p —n -перехода, а лежащая в третьем квадранте – обратному. Как отмечалось выше, при достаточно большом обратном напряжении возникает пробой перехода. Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением.

Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода r диф = du / di (u и i – напряжение на переходе и ток перехода соответственно). После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока. В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным). На ВАХ перехода (рис. 1.9) пробою соответствует область резкого изгиба характеристики вниз в третьем квадранте.

Рис. 1.8 Вольтамперная характеристика (а) и схема включения стабилитрона (б)

Различают три вида пробоя p-n -перехода: туннельный, лавинный и тепловой. И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Туннельный пробой происходит, когда геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект – явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в р —n -переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.

Рис. 1.9 ВАХ p — n -перехода

Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. В результате число носителей резко возрастает, и ток через переход растёт. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление). Характерно, что при этом пробое напряжение на переходе мало зависит от тока через него (крутопадающий участок в третьем квадранте ВАХ, см. рис. 1.9).

При тепловом пробое увеличение тока объясняется разогревом полупроводника в области р-n-перехода и соответствующим увеличением удельной проводимости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если полупроводник – кремний, то при увеличении обратного напряжения тепловой пробой обычно возникает после электрического (во время электрического пробоя полупроводник разогревается, а затем начинается тепловой пробой). После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (полупроводниковый прибор выходит из строя).

Как уже отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок через p-n-переход в области перехода возникают нескомпенсированные объемные (пространственные) заряды ионизированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока. Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое, в свою очередь, самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т. е. на процесс протекания тока.

Изменение внешнего напряжения, приложенного к p-n-переходу, изменяет величину объемного пространственного заряда обедненного слоя. Следовательно, p-n-переход ведет себя как плоский конденсатор, емкость которого, определяемая отношением изменения пространственного заряда ¶Q к изменению напряжения ¶U при обратном включении перехода, называется барьерной и может быть найдена из уравнения

где e0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; e – относительная диэлектрическая

проницаемость; S – площадь p- n -перехода; d – толщина обедненного слоя (толщина p — n -перехода).

Изменение заряда в p- n -переходе может быть вызвано также изменением концентрации инжектированных неравновесных носителей в базе при прямом смещении p — n -перехода. Отношение величины изменения инжектированного заряда к величине изменения прямого напряжения определяет диффузионную емкость p —n -перехода:
С диф = д Q инж /д U . Диффузионная емкость превышает барьерную при прямом смещении p —n -перехода, однако имеет незначительную величину при обратном смещении.

При использовании p-n-перехода в реальных полупроводниковых приборах к нему может быть приложено внешнее напряжение. Величина и полярность этого напряжения определяют поведение перехода и проходящий через него электрический ток. Если положительный полюс источника питания подключается к p -области, а отрицательный – к n -области, то включение p-n -перехода называют прямым. При изменении указанной полярности включение p-n -перехода называют обратным.

При прямом включении p-n -перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю, рисунок 2. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная диффузия носителей зарядов через переход приводит к повышению концентрации дырок в области n -типа и электронов в области p -типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.

При включении p-n -перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя, рисунок 3. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителей поле в p-n -переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремится к предельному значению I S , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.

1.3. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Зависимость тока через p-n -переход от приложенного к нему напряженияI = f (U ) называют вольтамперной характеристикойp-n -перехода, рисунок 4.

Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода описывается уравнением Эберса-Молла :

, (1)

где I – ток через переход при напряженииU ;

I S – ток насыщения, создаваемый неосновными носителями заряда.I S называется также тепловым током, так как концентрация неосновных носителей зависит от температуры;

q e – заряд электрона;

k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

– температурный потенциал перехода, примерно равный при комнатной температуре 0,025 В = 25 мВ.

Если р-n -переход включен в прямом направлении, напряжениеU берут со знаком плюс, если в обратном – со знаком минус.

При прямом приложенном напряжении
можно пренебречь единицей по сравнению со слагаемым
, и ВАХ будет иметь чисто экспоненциальный характер.

При обратном (отрицательном) напряжении
слагаемым
можно пренебречь по сравнению с единицей, и ток оказывается равным
.

Однако уравнение Эберса-Молла весьма приблизительно совпадает с реальными вольтамперными характеристиками, так как не учитывает целого ряда физических процессов, происходящих в полупроводниках. К таким процессам относятся: генерация и рекомбинация носителей в запирающем слое, поверхностные токи утечки, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей, явления теплового, лавинного и туннельного пробоев.

Если ток, протекающий через переход, незначителен, то падением напряжения на сопротивлении нейтральных областей можно пренебречь. Однако при увеличении тока этот процесс оказывает все большее влияние на ВАХ прибора, т.е. его реальная характеристика идет под меньшим углом и вырождается в прямую линию, когда напряжение на запирающем слое становится равным контактной разности потенциалов.

При некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем перехода. Существует три вида пробоев: туннельный, лавинный и тепловой. Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.

Туннельный эффект (эффект Зенера) заключается в прямом переходе валентных электронов из одного полупроводника в другой (где они уже будут являться свободными носителями заряда), что становится возможным при высокой напряженности электрического поля на переходе. Такая большая напряженность электрического поля на переходе может быть достигнута при высокой концентрации примесей в p - иn -областях, когда толщина перехода становится очень маленькой.

В широких p-n -переходах, образованных полупроводниками со средней либо малой концентрациями примесей, вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается и более вероятным становится лавинный пробой.

Лавинный пробой возникает, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины перехода. Если за время свободного пробега электроны накапливают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов в переходе, то наступает ударная ионизация, сопровождающаяся лавинным размножением носителей зарядов. Образовавшиеся в результате ударной ионизации свободные носители зарядов увеличивают обратный ток перехода.

Тепловой пробой обусловлен значительным ростом количества носителей зарядов в p-n -переходе за счет нарушения теплового режима. Подводимая к переходу мощностьP обр =I обр U обр расходуется на его нагрев. Выделяющаяся в запирающем слое теплота отводится преимущественно за счет теплопроводности кристаллической решетки. При плохих условиях отвода теплоты от перехода, а также при повышении обратного напряжения на переходе выше критического значения, возможен его разогрев до температуры, при которой происходит тепловая ионизация атомов. Образующиеся при этом носители зарядов увеличивают обратный ток через переход, что приводит к его дальнейшему разогреву. В результате такого нарастающего процесса переход недопустимо разогревается и возникает тепловой пробой, характеризующийся разрушением кристалла.

Увеличение числа носителей зарядов при нагреве перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого на обратной ветви ВАХ при тепловом пробое появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Электронно-дырочный переход

p - n -перехо́д (n - negative - отрицательный, электронный, p - positive - положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход - разновидность гомопереходов , область полупроводника , в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p .

Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями:

1. в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (n -область), а в другой - акцепторной (p -область);
2. на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости.

Если p - n -переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник, то переход от n - к р -области происходит скачком (резкий переход). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный переход.

Энергетическая диаграмма p - n -перехода. a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении

При контакте двух областей n - и p - типа из-за градиента концентрации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p -области вблизи контакта после диффузии из неё дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n -области - нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле , направленное от n -области к p -области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт - устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи компенсируют друг друга). Между n - и p -областями при этом существует разность потенциалов , называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p -области. Обычно контактная разность потенциалов в данном случае составляет десятые доли вольта.

Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Если положительный потенциал приложен к p -области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение), а ОПЗ сужается. В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p - n -переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p - и n -областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.

Приложение отрицательного потенциала к p -области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p - n -переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей). Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p - n -переход течёт ток I s (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напряжения. Таким образом, вольт-амперная характеристика p - n-перехода обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход может изменяться в 10 5 - 10 6 раз. Благодаря этому p - n -переход может использоваться для выпрямления переменных токов (диод).

Вольт-амперная характеристика

Чтобы вывести зависимость величины тока через p - n -переход от внешнего смещающего напряжения V , мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи . В дальнейшем будем обозначать символом J плотность потока частиц, а символом j - плотность электрического тока ; тогда j e = −eJ e , j h = eJ h .

Вольт-амперная характеристика p - n -перехода. I s - ток насыщения, U пр - напряжение пробоя.

При V = 0 как J e , так и J h обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При V ≠ 0 баланс нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток через обеднённый слой. Он включает следующие две компоненты:

1. Ток генерации n -области в p -область перехода. Как видно из названия, этот ток обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно в n -области обеднённого слоя при тепловом возбуждении электронов с уровней валентной зоны. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) в n -области чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в переносе тока через переход. Это происходит потому, что каждая дырка, попадающая в обеднённый слой, тут же перебрасывается в p -область под действием сильного электрического поля, которое имеется внутри слоя. В результате величина возникающего тока генерации не зависит от значения изменения потенциала в обеднённом слое, поскольку любая дырка, оказавшаяся в слое, перебрасывается из n -области в p -область.
2. Ток рекомбинации , то есть дырочный ток, текущий из p -области в n -область. Электрическое поле в обеднённом слое препятствует этому току, и только те дырки, которые попадают на границу обеднённого слоя, имея достаточную кинетическую энергию , чтобы преодолеть потенциальный барьер, вносят вклад в ток рекомбинации. Число таких дырок пропорционально e −eΔФ/kT и, следовательно,

В отличие от тока генерации, ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения V . Мы можем сравнить величины этих двух токов, заметив, что при V = 0 суммарный ток через переход отсутствует: J h rec (V = 0) = J h gen Из этого следует, что J h rec = J h gen e eV/kT . Полный дырочный ток, текущий из p -области в n -область, представляет собой разность между токами рекомбинации и генерации:

J h = J h rec − J h gen = J h gen (e eV/kT − 1).

Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам. Поскольку электроны имеют противоположный заряд, электрические токи генерации и рекомбинации электронов совпадают по направлению с электрическими токами генерации и рекомбинации дырок. Поэтому полная плотность электрического тока есть j = e (J h gen + J e gen )(e eV/kT − 1).

Ёмкость p - n -перехода и частотные характеристики

p - n -переход можно рассматривать как плоский конденсатор , обкладками которого служат области n - и p -типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной . Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n - и p -областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад . Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p - n -перехода. За счёт барьерной ёмкости работают варикапы .

Кроме барьерной ёмкости p - n -переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью . Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p - n -переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p - n -переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.

Эквивалентная схема p - n -перехода. C б - барьерная ёмкость, C д - диффузионная ёмкость, R a - дифференциальное сопротивление p - n -перехода, r - объёмное сопротивление базы.

Суммарная ёмкость p - n -перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей. Эквивалентная схема p - n -перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p - n -перехода R а включены диффузионная ёмкость C д и барьерная ёмкость С б; последовательно с ними включено объёмное сопротивление базы r . С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p - n -переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, R а шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивление p - n -перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p - n -переход теряет свои линейные свойства.

Вставьте, пожалуйста формулы для зависимости C б от напряжения и C 0 .

Пробой p - n -перехода

Пробой диода - это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой пробои.

• Лавинный пробой (ударная ионизация) является наиболее важным механизмом пробоя p - n -перехода. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения большинства диодов. Пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.

• Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещённую зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещённой зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряжённостью электрического поля, то есть наклоном энергетических уровней и зон. Следовательно, условия для туннелирования возникают только при определённой напряжённости электрического поля или при определённом напряжении на электронно-дырочном переходе - при пробивном напряжении. Значение этой критической напряжённости электрического поля составляет примерно 8∙10 5 В/см для кремниевых переходов и 3∙10 5 В/см - для германиевых. Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит от напряжённости электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода.

• Поверхностный пробой (ток утечки) . Реальные p-n -переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхостных зарядов между p- и n- областями могут образовываться проводящие плёнки и проводящие каналы, по которым идёт ток утечки I ут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения и может превысить тепловой ток I 0 и ток генерации I ген. Ток I ут слабо зависит от температуры. Для уменьшения I ут применяют защитные плёночные покрытия.

• Тепловой пробой - это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче обратного напряжения практически всё оно падает на p - n -переходе, через который идёт, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся мощность вызывает разогрев p - n -перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. При недостаточном теплоотводе эта мощность вызывает дальнейшее увеличение тока, что приводит к пробою. Тепловой пробой, в отличие от предыдущих, необратим.

p-n (пэ-эн) переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому, такой переход ещё называют электронно — дырочным переходом.

Всего есть два типа полупроводников это p и n типа. В n — типе основными носителями заряда являются электроны , а в p — типе основными — положительно заряженные дырки. Положительная дырка возникает после отрыва электрона от атома и на месте него образуется положительная дырка.

Что бы разобраться как работает p-n переход надо изучить его составляющие то есть полупроводник p — типа и n — типа.

Полупроводники p и n типа изго­тавливаются на основе монокристаллического кремния, имеющего очень высокую степень чистоты, поэтому малейшие примеси (менее 0,001%) су­щественным образом изменяют его электрофизические свойства.

В полупроводнике n типа основными носителями заряда являются электроны . Для получения их используютдонорные примеси, которые вводятся в кремний, — фосфор, сурьма, мышьяк.

В полупроводнике p типа основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки . Для получения их используют акцепторные примеси — алюминий, бор.

Полупроводник n — типа (электронной проводимости)

Примесный атом фосфора обычно замещает основной атом в узлах кри­сталлической решетки. При этом четыре валентных электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних четырех атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый валентный электрон атома фосфора оказывается слабо связанным со своим атомом и под действием внешних сил (тепловые колебания решетки, внешнее электрическое поле) легко становится свободным, создавая повышенную концентрацию свободных электронов . Кристалл приобретает электронную проводимость или проводимость n-типа . При этом атом фосфора, лишенный электрона, жестко связан с кристаллической решеткой кремния положи­тельным зарядом, а электрон является подвижным отрицательным зарядом. При отсутствии действия внешних сил они компенсируют друг друга, т. е. в кремнии n-типа количество свободных электронов проводимости опреде­ляется количеством введенных донорных атомов примеси.

Полупроводник p — типа (дырочной проводимости)

Атом алюминия, имеющий только три валентных электрона, не может самостоятельно создать устойчивую восьмиэлектронную оболочку с соседними атомами кремния, так как для этого ему необходим еще один электрон, который он отбирает у одного из атомов кремния, находящегося поблизости. Атом кремния, лишенный электрона, имеет положительный заряд и, так как он может захватить электрон соседнего атома кремния, его можно считать подвижным положительным зарядом, не связанным с кристаллической решеткой, называемым дыркой. Атом алюминия, захвативший электрон, становится отрицательно заряженным центром, жестко связанным с кристал­лической решеткой. Электропроводность такого полупроводника обусловлена движением дырок , поэтому он называется дырочным полупроводни­ком р-типа . Концентрация дырок соответствует количеству введенных атомов акцепторной примеси.

Android