Электрические переходы

Электрическим переходом в полупроводнике называется граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых имеют существенные физические различия.

Различают следующие виды электрических переходов:

§ электронно-дырочный , или p–n-переход – переход между двумя областями полупроводника, имеющими разный тип электропроводности;

§ переходы между двумя областями, если одна из них является металлом, а другая полупроводником p- или n- типа (переход металл – полупроводник );

§ переходы между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей;

§ переходы между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы ).

Работа целого ряда полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) основана на явлениях, возникающих в контакте между полупроводниками с разными типами проводимости.

Граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа p , а другая – типа n называется электронно-дырочным переходом. Концентрации основных носителей заряда в областях p и n могут быть равными или существенно отличаться. P–n -переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равны N p N n , называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда различны (N p >> N n или N p << N n) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют несимметричными .

Несимметричные p–n -переходы используются шире, чем симметричные, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их.

Рассмотрим монокристалл полупроводника (рис. 1.12), в котором, с одной стороны, введена акцепторная примесь, обусловившая возникновение здесь

электропроводности типа p , а с другой стороны, введена донорная примесь, благодаря которой там возникла электропроводность типа n . Каждому подвижному положительному носителю заряда в области p (дырке) соответствует отрицательно заряженный ион акцепторной примеси, но неподвижный, находящийся в узле кристаллической решетки, а в области n каждому свободному электрону соответствует положительно заряженный ион донорной примеси, в результате чего весь монокристалл остается электрически нейтральным.

Свободные носители электрических зарядов под действием градиента концентрации начинают перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией. Так, дырки будут диффундировать из области p в область n , а электроны, наоборот, из области n в область p . Это направленное навстречу друг другу перемещение электрических зарядов образует диффузионный ток p–n -перехода. Но как только дырка из области p перейдет в область n , она оказывается в окружении электронов, являющихся основными носителями электрических зарядов в области n . Поэтому велика вероятность того, что какой-либо электрон заполнит свободный уровень и произойдет явление рекомбинации, в результате которой не будет ни дырки, ни электрона, а останется электрически нейтральный атом полупроводника. Но если раньше положительный электрический заряд каждой дырки компенсировался отрицательным зарядом иона акцепторной примеси в области p , а заряд электрона – положительным зарядом иона донорной примеси в области n , то после рекомбинации дырки и электрона электрические заряды неподвижных ионов примесей, породивших эту дырку и электрон, остались не скомпенсированными. И в первую очередь не скомпенсированные заряды ионов примесей проявляют себя вблизи границы раздела (рис. 1.13), где образуется слой пространственных зарядов, разделенных узким промежутком . Между этими зарядами возникает электрическое поле с напряжённостью E , которое называют полем потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двух зон, обуславливающих это поле, называют контактной разностью потенциалов
Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов. Так, дырки в области p – основные носители, попадая в зону действия этого поля, испытывают со стороны него тормозящее, отталкивающее действие и, перемещаясь вдоль силовых линий этого поля, будут вытолкнуты вглубь области p . Аналогично, электроны из области n , попадая в зону действия поля потенциального барьера, будут вытолкнуты им вглубь области n . Таким образом, в узкой области , где действует поле потенциального барьера, образуется слой, где практически отсутствуют свободные носители электрических зарядов и вследствие этого обладающий высоким сопротивлением. Это так называемый запирающий слой.



Если же в области p вблизи границы раздела каким-либо образом окажется свободный электрон, являющийся неосновным носителем для этой области, то он со стороны электрического поля потенциального барьера будет испытывать ускоряющее воздействие, вследствие чего этот электрон будет переброшен через границу раздела в область n , где он будет являться основным носителем. Аналогично, если в области n появится неосновной носитель – дырка, то под действием поля потенциального барьера она будет переброшена в область p , где она будет уже основным носителем. Движение неосновных носителей через p–n -переход под действием электрического поля потенциального барьера обусловливает составляющую дрейфового тока.

При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов. То есть между диффузионной и дрейфовой составляющими тока p–n -перехода, потому что эти составляющие направлены навстречу друг другу.

Потенциальная диаграмма p–n -перехода изображена на рис. 1.13, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Контактная разность потенциалов образует на границе раздела потенциальный барьер с высотой . На диаграмме изображен потенциальный барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться справа налево (из области n в область p ). Если отложить вверх положительный потенциал, то можно получить изображение потенциального барьера для дырок, диффундирующих слева направо (из области p в область n ).

При отсутствии внешнего электрического поля и при условии динамического равновесия в кристалле полупроводника устанавливается единый уровень Ферми для обеих областей проводимости.

Однако поскольку в полупроводниках p -типа уровень Ферми

смещается к потолку валентной зоны , а в полупроводниках n -типа –

Ко дну зоны проводимости , то на ширине p–n -перехода диаграмма энергетических зон (рис. 1.14) искривляется и образуется потенциальный барьер:

где –энергетический барьер, который необходимо преодолеть электрону в области n , чтобы он мог перейти в область p , или аналогично для дырки в области p , чтобы она могла перейти в область n .

Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, так как при ее изменении изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе.

1.7.2. Вентильное свойство p–n-перехода

P–n -переход, обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления, протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным , а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем .

Рассмотрим p–n -переход, к которому подключен внешний источник напряжения Uвн с полярностью, указанной на рис. 1.15, « +» к области p -типа, «–» к области n -типа. Такое подключение называют прямым включением p–n -перехода (или прямым смещением p–n-перехода ). Тогда напряженность электрического поля внешнего источника E вн будет направлена навстречу напряженности поля потенциального барьера E и, следовательно, приведет к снижению результирующей напряженности E рез:

E рез = E - E вн , (1.14).

Это приведет, в свою очередь, к снижению высоты потенциального барьера и увеличению количества основных носителей, диффундирующих через границу раздела в соседнюю область, которые образуют так называемый прямой ток p–n -перехода. При этом вследствие уменьшения тормозящего, отталкивающего действия поля потенциального барьера на основные носители, ширина запирающего слоя уменьшается ( ’< ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.

По мере увеличения внешнего напряжения прямой ток p–n -перехода возрастает. Основные носители после перехода границы раздела становятся неосновными в противоположной области полупроводника и, углубившись в нее, рекомбинируют с основными носителями этой области. Но, пока подключен внешний источник, ток через переход поддерживается непрерывным поступлением электронов из внешней цепи в n -область и уходом их из p -области во внешнюю цепь, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в p -области.

Введение носителей заряда через p–n -переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называют инжекцией носителей заряда .

При протекании прямого тока из дырочной области р в электронную область n инжектируются дырки, а из электронной области в дырочную – электроны.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером ; слой, в который происходит инжекция неосновных для него носителей заряда, -базой .

На рис. 1.16 изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая прямому смещению p–n -перехода.

Если к р-n -переходу подключить внешний источник с противоположной полярностью «–» к области p -типа, «+» к области n -типа (рис. 1.17), то такое подключение называют обратным включением p–n-перехода (или обратным смещением p–n-перехода ).

В данном случае напряженность электрического поля этого источника E вн будет направлена в ту же сторону, что и напряженность электрического поля E потенциального барьера; высота потенциального барьера возрастает, а ток диффузии основных носителей практически становится равным нулю. Из-за усиления тормозящего, отталкивающего действия суммарного электрического поля на основные носители заряда ширина запирающего слоя увеличивается ( > ), а его сопротивление резко возрастает.

Теперь через р–n -переход будет протекать очень маленький ток, обусловленный перебросом суммарным электрическим полем на границе раздела, основных носителей, возникающих под действием различных ионизирующих факторов, в основном теплового характера. Процесс переброса неосновных носителей заряда называется экстракцией . Этот ток имеет дрейфовую природу и называется обратным током р–n-перехода .

На рис. 1.18 изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая обратному смещению p–n - перехода.

Выводы:

1. P–n -переход образуется на границе p - и n -областей, созданных в монокристалле полупроводника.

2. В результате диффузии в p–n -переходе возникает электрическое поле - потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций основных носителей заряда в соседних областях.

3. При отсутствии внешнего напряжения U вн в p–n -переходе устанавливается динамическое равновесие: диффузионный ток становится равным по величине дрейфовому току, образованному неосновными носителями заряда, в результате чего ток через p–n -переход становится равным нулю.

4. При прямом смещении p–n -перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает относительно большой диффузионный ток.

5. При обратном смещении p–n -перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток уменьшается до нуля и через переход протекает малый по величине дрейфовый ток. Это говорит о том, что p–n -переход обладает односторонней проводимостью. Данное свойство широко используется для выпрямления переменных токов.

6. Ширина p–n -перехода зависит: от концентраций примеси в p - и n -областях, от знака и величины приложенного внешнего напряжения U вн. При увеличении концентрации примесей ширина p–n -перехода уменьшается и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширина p–n -перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p–n -перехода увеличивается.

1.7.3. Вольт-амперная характеристика р–n-перехода

Вольт-амперная характеристика p–n -перехода – это зависимость тока через p–n -переход от величины приложенного к нему напряжения. Ее рассчитывают исходя из предположения, что электрическое поле вне обедненного слоя отсутствует, т.е. все напряжение приложено к p–n -переходу. Общий ток через p–n -переход определяется суммой четырех слагаемых:

где электронный ток дрейфа;

Дырочный ток дрейфа;

Электронный ток диффузии;

Дырочный ток диффузии; концентрация электронов, инжектированных в р - область;

Концентрация дырок, инжектированных в n - область.

При этом концентрации неосновных носителей n p0 и p n0 зависят от концентрации примесей N p и N n следующим образом:

где n i , p i – собственные концентрации носителей зарядов (без примеси) электронов и дырок соответственно.

Скорость диффузии носителей заряда υ n, p диф можно допустить близкой к их скорости дрейфа υ n, p др в слабом электрическом поле при небольших отклонениях от условий равновесия. В этом случае для условий равновесия выполняются следующие равенства:

υ p диф = υ p др = υ p , υ n диф = υ n др = υ n .

Тогда выражение (1.15) можно записать в виде:

, (1.16).

Обратный ток можно выразить следующим образом:

где D n, p – коэффициент диффузии дырок или электронов;

L n, p – диффузионная длина дырок или электронов. Так как параметры D n, p , p n0 , n p0 , L n , p = зависят от температуры, то обратный ток чаще называют тепловым током .

При прямом напряжении внешнего источника (U вн > 0) экспоненциальный член в выражении (1.16) быстро возрастает, что приводит к быстрому росту прямого тока, который, как уже было отмечено, в основном определяется диффузионной составляющей.

При обратном напряжении внешнего источника

() экспоненциальный член много меньше единицы и ток р–n -перехода практически равен обратному току , определяемому, в основном, дрейфовой составляющей. Вид этой зависимости представлен на рис. 1.19. Первый квадрант соответствует участку прямой ветви вольт-амперной характеристики, а третий квадрант – обратной ветви. При увеличении прямого напряжения ток р–n -перехода в прямом направлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры. Если количество выделяемого при этом тепла будет превышать количество тепла, отводимого от полупроводникового кристалла либо естественным путем, либо с помощью

специальных устройств охлаждения, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток р–n -перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого необходимо использовать ограничительное сопротивление последовательно подключенное с p–n -переходом.

При увеличении обратного напряжения, приложенного к р–n -переходу, обратный ток изменяется незначительно, так как дрейфовая составляющая тока, являющаяся превалирующей при обратном включении, зависит в основном от температуры кристалла, а увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества. Такое положение будет сохраняться до величины обратного напряжения, при котором начинается интенсивный рост обратного тока – так называемый пробой р–n-перехода .

1.7.4. Виды пробоев p–n-перехода

Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p–n -переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.

Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой , который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.

Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной р–n -перехода, образованных слаболегированными полупроводниками. При этом ширина обедненного слоя гораздо больше диффузионной длины носителей. Пробой происходит под действием сильного электрического поля с напряженностью Е (8…12) , .В лавинном пробое основная роль принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в р–n -переходе.

Эти носители испытывают со стороны электрического поля р–n -перехода ускоряющее действие и начинают ускоренно двигаться вдоль силовых линий этого поля. При определенной величине напряженности неосновные носители заряда на длине свободного пробега l (рис. 1.20) могут разогнаться до такой скорости, что их кинетической энергии может оказаться достаточно, чтобы при очередном соударении с атомом полупроводника ионизировать его, т.е. «выбить» один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару «электрон – дырка». Образовавшиеся носители тоже начнут разгоняться в электрическом поле, сталкиваться с другими нейтральными атомами, и процесс, таким образом, будет лавинообразно нарастать. При этом происходит резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.

Параметром, характеризующим лавинный пробой, является коэффициент лавинного умножения M , определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля. Величина обратного тока после лавинного умножения будет равна:

где – начальный ток; U – приложенное напряжение; U п – напряжение лавинного пробоя; n – коэффициент, равный 3 для Ge , 5 для Si .

Туннельный пробой происходит в очень тонких р–n -переходах, что возможно при очень высокой концентрации примесей N 10 19 см -3 , когда ширина перехода становится малой (порядка 0,01 мкм) и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает большой градиент электрического поля. Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер (рис. 1.21) из валентной зоны p -области в зону проводимости n -области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда. Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.

Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет пере-

грев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.

Тепловым называется пробой р–n- перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая мощность, выделяющаяся в р–n -переходе, и, соответственно, температура кристаллической структуры. Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла и ослабевает связь валентных электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования дополнительных пар носителей «электрон – дырка». Если электрическая мощность в р–n -переходе превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, в кристалле происходит необратимая перестройка структуры и р-n -переход разрушается.

Для предотвращения теплового пробоя необходимо выполнение условия

где - максимально допустимая мощность рассеяния р-n -перехода.

Поверхностный пробой . Распределение напряженности электрического поля в р–n -переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем . Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.

1.7.5. Ёмкость р–n -перехода

Изменение внешнего напряжения на p–n -переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя и, соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого p–n -переход ведет себя подобно конденсатору, ёмкость которого определяется как отношение изменения накопленного в p–n -переходе заряда к обусловившему это изменение приложенному внешнему напряжению.

Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную ёмкость р-n -перехода.

Барьерная ёмкость соответствует обратновключенному p–n -переходу, который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями:

где относительная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; – электрическая постоянная (); S – площадь p–n -перехода; – ширина обеднённого слоя.

Барьерная ёмкость возрастает при увеличении площади p–n -перехода и диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении ширины обедённого слоя. В зависимости от площади перехода С бар может быть от единиц до сотен пикофарад.

Особенностью барьерной ёмкости является то, что она является нелинейной ёмкостью. При возрастании обратного напряжения ширина перехода увеличивается и ёмкость С бар уменьшается. Характер зависимости С бар = f (U обр) показывает график на рис. 1.22. Как видно, под влиянием U проб ёмкость С бар изменяется в несколько раз.

Диффузионная ёмкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n - и p -областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n - и p -областях. Каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных зарядов + Q диф и -Q диф , накопленных в n - и p -областях за счет диффузии носителей через переход. Ёмкость С диф представляет собой отношение зарядов к разности потенциалов:

С увеличением U пр прямой ток растет быстрее, чем напряжение, т.к. вольт-амперная характеристика для прямого тока имеет нелинейный вид, поэтому Q диф растет быстрее, чем U пр и С диф увеличивается.

Диффузионная ёмкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она оказывается шунтированной малым прямым сопротивлением p–n -перехода. Численные оценки величины диффузионной ёмкости показывают, что ее значение доходит до нескольких единиц микрофарад.

Таким образом, р–n -переход можно использовать в качестве конденсатора переменной ёмкости,

управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.

1.7.6. Контакт «металл – полупроводник»

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с p–n -переходом применяются контакты «металл – полупроводник».

Контакт «металл – полупроводник» возникает в месте соприкосновения полупроводникового кристалла n - или р -типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла и из полупроводника . Под работой выхода электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на энергетический уровень свободного электрона. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.

В результате диффузии электронов и перераспределения зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов:

. (1.21)

Переходный слой, в котором существует контактное электрическое поле при контакте «металл –полупроводник», называется переходом Шоттки , по имени немецкого ученого В. Шоттки, который первый получил основные математические соотношения для электрических характеристик таких переходов.

Контактное электрическое поле на переходе Шоттки сосредоточено практически в полупроводнике, так как концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое, сравнимом с межатомным расстоянием.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать обеднённый, инверсный или обогащённый слой носителями электрических

1. < , полупроводник n -типа (рис. 1.23, а). В данном случае будет преобладать выход электронов из металла (M ) в полупроводник, поэтому в слое полупроводника около границы раздела накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т.е. имеющим повышенную концентрацию электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющим свойством. Его иначе называют невыпрямляющим переходом.

2. < , полупроводник p -типа (рис. 1.23, б). В этом случае будет преобладать выход электронов из полупроводника в металл, при этом в приграничном слое также образуется область, обогащенная основными носителями заряда (дырками), имеющая малое сопротивление. Такой переход также не обладает выпрямляющим свойством.

3. , полупроводник n-типа (рис. 1.24, а). При таких условиях электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно зависеть от полярности приложенного напряжения. Если , то возможно образование инверсного слоя (p -типа). Такой контакт обладает выпрямляющим свойством.

4. , полупроводник p -типа (рис. 1.24, б). Контакт, образованный при таких условиях обладает выпрямляющим свойством, как и предыдущий.

Отличительной особенностью контакта «металл – полупроводник» является то, что в отличие от обычного p–n -перехода здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, т.е. при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов.

Если блок полупроводника P-типа соединить с блоком полупроводника N-типа (рисунок ниже (a)), результат не будет иметь никакого значения. У нас будут два проводящих блока соприкасающихся друг с другом, не проявляя никаких уникальных свойств. Проблема заключается в двух отдельных и различных кристаллических структурах. Количество электронов уравновешивается количеством протонов в обоих блоках. Таким образом, в результате ни один блок не имеет какого-либо заряда.

Тем не менее, один полупроводниковый кристалл, изготовленный из материала P-типа с одной стороны и материала N-типа с другой стороны (рисунок ниже (b)), обладает уникальными свойствами. У материала P-типа основными являются положительные носители заряда, дырки, которые свободно передвигаются по кристаллической решетке. У материала N-типа основными и подвижными являются отрицательные носители заряда, электроны. Вблизи перехода электроны материала N-типа диффундируют через переход, соединяясь с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа вблизи перехода приобретает отрицательный заряд из-за привлеченных электронов. Так как электроны покинули область N-типа, та приобретает локальный положительный заряд. Тонкий слой кристаллической решетки между этими зарядами теперь обеднен основными носителями, таким образом, он известен, как обедненная область . Эта область становится непроводящим материалом из собственного полупроводника. По сути, мы имеем почти изолятор, разделяющий проводящие легированные области P и N типов.

(a) Блоки полупроводников P и N типов при контакте не обладают пригодными для использования свойствами.
(b) Монокристалл, легированный примесями P и N типа, создает потенциальный барьер.

Такое разделение зарядов в P-N-переходе представляет собой потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер может быть преодолен под воздействием внешнего источника напряжения, заставляющего переход проводить электрический ток. Формирование перехода и потенциального барьера происходит во время производственного процесса. Величина потенциального барьера зависит от материалов, используемых при производстве. Кремниевые P-N-переходы обладают более высоким потенциальным барьером, по сравнению с германиевыми переходами.

На рисунке ниже (a) батарея подключена так, что отрицательный вывод источника поставляет электроны к материалу N-типа. Эти электроны диффундируют к переходу. Положительный вывод источника удаляет электроны из полупроводника P-типа, создавая дырки, которые диффундируют к переходу. Если напряжение батареи достаточно велико для преодоления потенциала перехода (0,6В для кремния), электроны из области N-типа и дырки из области P-типа объединяются, уничтожая друг друга. Это освобождает пространство внутри решетки для перемещения в сторону перехода большего числа носителей заряда. Таким образом, токи основных зарядов областей N-типа и P-типа протекают в сторону перехода. Рекомбинация в переходе позволяет току батареи протекать через P-N переход диода. Такое включение называется прямым смещением .


(a) Прямое смещение отталкивает носителей зарядов к переходу, где рекомбинация отражается на токе батареи.
(b) Обратное смещение притягивает носителей зарядов к выводам батареи, подальше от перехода. Толщина обедненной области увеличивается. Устойчивый ток через батарею не протекает.

Если полярность батареи изменена на противоположную, как показано выше на рисунке (b), основные носители зарядов притягиваются от перехода к клеммам батареи. Положительный вывод батареи оттягивает от перехода основных носителей заряда в области N-типа, электронов. Отрицательный вывод оттягивает от перехода основных носителей в области P-типа, дырок. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области. В ней отсутствует рекомбинация основных носителей; и таким образом, отсутствует и проводимость. Такое подключение батареи называется обратным смещением .

Условное обозначение диода, показанное ниже на рисунке (b), соответствует пластине легированного полупроводника на рисунке (a). Диод представляет собой однонаправленное устройство. Электронный ток протекает только в одном направлении, против стрелки, соответствующем прямому смещению. Катод, полоса на условном обозначении диода, соответствует полупроводнику N-типа. Анод, стрелка, соответствует полупроводнику P-типа.

Примечание: в оригинале статьи предлагается алгоритм запоминания расположения типов полупроводника в диоде. Неуказывающая (N ot-pointing) часть условного обозначения (полоса) соответствует полупроводнику N -типа. Указывающая (P ointing) часть условного обозначения (стрелка) соответствует P -типу.


(a) Прямое смещение PN-перехода
(b) Соответствующее условное графическое обозначение диода
(c) График зависимости тока от напряжения кремниевого диода

Если к диоду приложено прямое смещение (как показано на рисунке (a) выше), при увеличении напряжения от 0 В ток будет медленно возрастать. В случае с кремниевым диодом протекающий ток можно будет измерить, когда напряжение приблизится к 0,6 В (рисунок (c) выше). При увеличении напряжения выше 0,6 В ток после изгиба на графике начнет резко возрастать. Увеличение напряжения выше 0,7 В может привести к току, достаточно большому, чтобы вывести диод из строя. Прямое напряжение U пр является одной из характеристик полупроводников: 0,6-0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов. Прямой ток может находиться в диапазоне от нескольких мА для точечных диодов до 100 мА для слаботочных диодов и до десятков и тысяч ампер для силовых диодов.

Если диод смещен в обратном направлении, то протекает только ток утечки собственного полупроводника. Это изображено на графике слева от начала координат (рисунок (c) выше). Для кремниевых диодов этот ток в самых экстремальных условиях будет составлять примерно 1 мкА. Это ток при росте напряжения обратного смещения увеличивается незаметно, пока диод не будет пробит. При пробое ток увеличивается настолько сильно, что диод выходит из строя, если последовательно не включено сопротивление, ограничивающее этот ток. Обычно мы выбираем диод с обратным напряжением, превышающим напряжения, которые могут быть приложены при работе схемы, чтобы предотвратить пробой диода. Как правило, кремниевые диоды доступны с напряжениями пробоя 50, 100, 200, 400, 800 вольт и выше. Также возможно производство диодов с меньшим напряжением пробоя (несколько вольт) для использования в качестве эталонов напряжения.

Ранее мы упоминали, что обратный ток утечки до микроампера в кремниевых диодах обусловлен проводимостью собственного полупроводника. Эта утечка может быть объяснена теорией. Тепловая энергия создает несколько пар электрон-дырка, которые проводят ток утечки до рекомбинации. В реальной практике этот предсказуемый ток является лишь частью тока утечки. Большая часть тока утечки обусловлена поверхностной проводимостью, связанной с отсутствием чистоты поверхности полупроводника. Обе составляющие тока утечки увеличиваются с ростом температуры, приближаясь к микроамперу для небольших кремниевых диодов.

Для германия ток утечки на несколько порядков выше. Так как германиевые полупроводники сегодня редко используются на практике, то это не является большой проблемой.

Подведем итоги

P-N переходы изготавливаются из монокристаллического куска полупроводника с областями P и N типа в непосредственной близости от перехода.

Перенос электронов через переход со стороны N-типа к дыркам на сторону P-типа с последующим взаимным уничтожением создает падение напряжения на переходе, составляющее от 0,6 до 0,7 вольта для кремния и зависящее от полупроводника.

Прямое смещение P-N перехода при превышении значения прямого напряжения приводит к протеканию тока через переход. Прикладываемая внешняя разность потенциалов заставляет основных носителей заряда двигаться в сторону перехода, где происходит рекомбинация, позволяющая протекать электрическому току.

Обратное смещение P-N перехода почти не создает ток. Прикладываемое обратное смещение оттягивает основных носителей заряда от перехода. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области.

Через P-N переход, к которому приложено обратное смещение, протекает обратный ток утечки, зависящий от температуры. В небольших кремниевых диодах он не превышает микроампер.

(ИМС). В полупроводниковых приборах используется свойство односторонней проводимости p-n -переходов. Электронно-дырочным называют такой p-n- переход, который образован двумя областями полупроводника с разными типами проводимости: электронной (n ) и дырочной (p ). Получают p-n- переход с помощью диффузии или эпитаксии .

В физике твёрдого тела, ды?рка — это отсутствие электрона в электронной оболочке. Для создания дырок в полупроводниках используется легирование кристаллов акцепторными примесями. Кроме того, дырки могут возникать и в результате внешних воздействий: теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости, освещения светом или облучения ионизирующим излучением.

p-n-перехо?д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Полупроводниковые элементы включают группу элементов с собственной электропроводностью 10 2 -10 -8 См/м. Электри?ческая проводи?мость (электропроводность, проводимость) — способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс.

Согласно зонной теории к полупроводникам относят элементы, у которых ширина запрещенной энергетической зоны <3эВ. Так у германия она равна 0,72 эВ, у кремния 1,11 эВ, у арсенида галия - 1,41 эВ.

Рисунок 9 - Полупроводник без примеси У проводников запрещенная зона отсутствует.

Электронно-дырочная проводимость возникает в результате разрыва валентных связей, являясь собственной проводимостью, которая обычно невелика. Под воздействием электрического поля, температуры и других внешних факторов электрические свойства полупроводников изменяются в значительно большей степени, чем свойства проводников и диэлектриков.

Для увеличения электропроводности в полупроводники вводят незначительное количество примесей , при этом оказывается, что в зависимости от рода примеси получают как полупроводники с дырочной проводимостью (при добавках трёхвалентной примеси — акцепторов типа индий (In)), называемых полупроводниками p -типа, так и полупроводники с электронной проводимостью (при добавках пятивалентной примеси — доноров типа мышьяк (As)), называемых полупроводниками n -типа.


При сплавлении полупроводников различных типов создаётся область объёмного заряда по обе стороны от границы раздела, называемая электронно-дырочным или p-n -переходом.

В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд.

Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.

Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие и перетекание зарядов прекращается.

При этом возникает так называемый запирающий (барьерный ) слой в несколько микрометров, лишенный носителей заряда, с напряженностью E з электрического поля, которая препятствует диффузии носителей заряда (рис. 10, а ).

Рисунок 10 - Запирающий слой: а) при отсутствии напряжения; б) при подаче обратного напряжения; в) при подаче прямого напряжения

Если к p-n -переходу приложить обратное напряжение (рис. 10, б ), то создаваемая им напряженность E з электрического поля повышает потенциальный барьер и препятствует переходу электронов из n -области в p -область и дырок из p -области в n -область. При этом поток неосновных носителей (дырок из n -области и электронов из p -области), их экстракция , образует обратный ток I обр .

Если включить внешний источник энергии Е , как это показано на рис. 10, в , то создаваемая им напряженность электрического поля будет противополож-ной направлению напряженности E з объёмного заряда, и в область раздела полупроводников будет инжектироваться все большее количество дырок (являющимися неосновными для n -области носителями заряда), которые и образуют прямой ток I пр . При напряжении 0,3-0,5 В запирающий слой исчезнет, и ток I пр определяется только сопротивлением полупроводника.

Встречной инжекцией электронов в p -область можно пренебречь, так как число дырок в рассматриваемом примере, а следовательно, и основных носителей заряда больше в p -области, чем свободных электронов в n -области, т. е.

N a >>N д,

где N a и N д — концентрации акцепторов и доноров в p - и n -областях.

Область кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей, называют эмиттером , а вторую, с меньшей концентрацией, — базой .

Принцип действия полупроводниковых приборов объясняется свойствами так называемого электронно-дырочного перехода (p-n - перехода) - зоной раздела областей полупроводника с разным механизмами проводимости.

Электронно-дырочный переход - это область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). Поскольку в р-области электронно-дырочного перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область.

Для создания в исходном полупроводнике (обычно 4-валентном германии или кремнии) проводимости n- или p-типа в него добавляют атомы 5-валентной или 3-валентной примесей соответственно (фосфор, мышьяк или алюминий, индий и др.)

Атомы 5-валентной примеси (доноры) легко отдают один электрон в зону проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не занятых в образовании ковалентных связей; проводник приобретает проводимость n-типа. Введение же 3-валентной примеси (акцепторов) приводит к тому, что последняя, отбирая по одному электрону от атомов полупроводника для создания недостающей ковалентной связи, сообщает ему проводимость p-типа, так как образующиеся при этом дырки (вакантные энергетические уровни в валентной зоне) ведут себя в электрическом или магнитном полях как носители положительных зарядов. Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.

Если полупроводники с разными типами проводимости привести в соприкосновение (контакт создается технологическим путем, но не механическим), то электроны в полупроводнике n-типа получают возможность занять свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. Произойдет рекомбинация электронов с дырками вблизи границы разнотипных полупроводников.

Этот процесс подобен диффузии свободных электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и диффузии дырок в противоположном направлении. В результате ухода основных носителей заряда на границе разнотипных полупроводников создается обедненный подвижными носителями слой, в котором в n-области будут находиться положительные ионы донорных атомов; а в p- области - отрицательные ионы акцепторных атомов. Этот обедненный подвижными носителями слой протяженностью в доли микрона и является электронно-дырочным переходом.

Потенциальный барьер в p-n переходе.

Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в зависимости от полярности этого напряжения р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.

Свойства p-n перехода при прямом включении.


Свойства p-n перехода при обратном включении.


Итак, с определенной долей приближения можно считать, что электрический ток через р-n-переход протекает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

Однако, кроме зависимости возникшего тока от внешней энергии, например, источника питания или фотонов света, которая используется в ряде полупроводниковых приборов, существует термогенерация. При этом концентрация собственных носителей заряда резко уменьшается, следовательно, и I ОБР тоже.Таким образом, если переход подвергнуть воздействию внешней энергии, то появляется пара свободных зарядов: электрон – дырка. Любой носитель заряда, рожденный в области объемного заряда p –n перехода, будет подхвачен электрическим полем E ВН и выброшен: электрон – в n –область, дырка – в p – область. Возникает электрический ток, который пропорционален ширине области объемного заряда. Это вызвано тем, что чем больше E ВН , тем шире область, где существует электрическое поле, в котором происходит рождение и разделение носителей зарядов. Как было сказано выше, скорость генерации носителей зарядов в полупроводнике зависит от концентрации и энергетического положения глубоких примесей, существующих в материале.

По этой же причине выше предельная рабочая температура полупроводника. Для германия она составляет 80º С, кремний: 150º С, арсенид галлия: 250º С (DE = 1,4 эВ). При большей температуре количество носителей заряда возрастает, сопротивление кристалла уменьшается, и полупроводник термически разрушается.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) являет­ся графической зависимостью протекающего через р-n переход тока от приложенного к нему внешнего напря­жения I=f(U) . Вольт-амперная характе­ристика р-n перехода при пря­мом и обратном включе­нии приведена ниже.

Она состоит из прямой (0-А) и обратной (0-В-С) ветвей; на вертикальной оси отложены значения прямого и обратного тока , а на оси абсцисс - значения прямого и обратного напряжения .

Напряжение от внешнего источника, подведенное к кристаллу с р-п переходом, практически полностью со­средотачивается на обедненном носителями переходе. В зависимости от полярности возможны два варианта включения постоянного напряжения - прямое и обрат­ное .

При прямом включении (рис. справа - верх) внешнее элект­рическое поле направлено навстречу внутреннему и частично или полиостью ос­лабляет его, снижает высо­ту потенциального барьера (Rпр ). При обратном включении (рис. справа - низ) элект­рическое поле совпадает по направлению с полем р-п перехода и приводит к росту потенциального барьера (Rобр ).

ВАХ p-n перехода описывает­ся аналитической функцией:

где

U - приложенное к переходу внешнее напряжение соответствующего знака;

Iо = Iт - обратный (тепловой) ток р-п перехода;

- температурный потенциал, где k - постоянная Больцмана, q - элементарный заряд (при T = 300К , 0,26 В ).

При прямом напряжении (U>0 ) - экспоненциальный член быстро возрастает [], единицей в скобках можно пренебречь и считать . При обратном напряжении (U<0 ) экспоненциальный член стремится к нулю, и ток через переход практически равен обратному току; Ip-n = -Io .

Вольт-амперная характеристика р-n-перехода показывает, что уже при сравнительно небольших прямых напряжениях сопротивление перехода падает, а прямой ток резко увеличивается.

Пробой p–n перехода.

Пробоем называют резкое изме­нение режима работы перехода, находящегося под обрат­ным напряжением.

Характерной особенностью этого из­менения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода (Rдиф ). Соответствующий участок вольт-ампер­ной характеристики изображен на рисунке справа (обратная ветвь). 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 Rдиф оказывается отрицатель­ным).

Пробой бывает лавинный, тунельный, тепловой. И туннельный и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем .

Для создания различных полупроводниковых приборов, применяемых в электронных устройствах, используют кристаллические структуры, состоящие из чередующихся областей полупроводников п - и р -типа. Взависимости от типа полупроводникового прибора, число областей с разными типами проводимости может быть две и более. Основу любого полупроводникового прибора составляют электронно-дырочные переходы.

Электронно-дырочным переходом (или кратко р-п-переходом ) называют тонкий слой между двумя областями полупроводникового кристалла, одна из которых имеет электронную, а другая - дырочную электропроводность .

Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление, диффузия одного вещества в другое, эпитаксия (ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными (п п = р р ) и несимметричными (п п >> p p или п п << р р , при этом концентрации основных носителей отличаются в 100-1000 раз), 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 полупроводникового кристалла с электронно-дырочным переходом показано на рисунке 1.5. Одна часть этого кристалла легирована (обогащена) донорной примесью и имеет электронную проводимость (п -область). Другая часть легирована акцепторной примесью и имеет дырочную проводимость (р -область). Кроме основных носителей в обеих частях кристалла имеется небольшая концентрация неосновных носителей (соответственно дырок в п -области и электронов в р -области).

Сразу после создания р -п -перехода при отсутствии внешнего электрического поля электроны из п -области стремятся проникнуть в р -область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из р -области перемещаются в п -область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток р -п -перехода. Электроны, перешедшие в р -область, рекомбинируют с дырками, в результате чего в р -области вблизи границы раздела двух типов полупроводников появятся отрицательно заряженные неподвижные ионы акцепторной примеси. В свою очередь, уход электронов из п -области приводит к появлению в приконтактной части п -области нескомпенсированных положительно заряженных неподвижных ионов донорной примеси.

Рисунок 1.5 - Упрощенная структура р-п -перехода

Одновременно с перемещением электронов, из р -области в п -область наблюдается диффузионное перемещение дырок. Этот процесс сопровождается созданием таких же неподвижных положительных и отрицательных ионов вблизи границы раздела двух типов полупроводников в п -области и р -области.


Двойной слой неподвижных электрических зарядов (ионов) создает в области р -п -перехода объемный пространственный заряд, наличие которого приводит к появлению внутреннего электрического поля ( на рисунке 1.5). Вектор этого поля направлен таким образом, что оно препятствует дальнейшему диффузионному движению основных носителей зарядов. Поэтому через короткий промежуток времени на р-п -переходе устанавливается динамическое равновесие, он становится электрически нейтральным , а ток через р-п -переход - равным нулю .

Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов y к (потенциальным барьером ), преодолеть которую носители без «сторонней помощи» не могут. Вместе с тем возникшее в р -п -переходе поле не препятствует движению неосновных носителей через переход, так как для них оно будет ускоряющим. Неосновные носители создают дрейфовый ток р -п -перехода.

Распределение плотности объемного заряда r в р -п -переходе при отсутствии внешнего электрического поля показано на рисунке 1.5.

Р-п -переход представляет собой слой полупроводника с низкой концентрацией подвижных носителей зарядов (обедненный слой ). Этот слой имеет повышенное электрическое сопротивление. Поскольку концентрация основных носителей зарядов в областях полупроводника различна, то и ширина обедненного слоя в р- и п- областях также будет различной (в области с меньшей концентрацией основных носителей она будет шире).

Контактная разность потенциалов y к на р-п- переходе зависит от концентрации примесей в областях полупроводника и определяется выражением:

где - температурный потенциал;

п i - концентрация носителей зарядов в нелегированном полупроводнике;

k » 1,38 × 10 -23 Дж/К - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура, К;

q » 1,6×10 -19 Кл - заряд электрона.

При нормальной температуре (Т = 300 К) j Т » 26 мВ. Контактная разность потенциалов для германия при этом имеет значение 0,2-0,3 В, а для кремния - 0,6-0,7 В.

Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-п- переходу. Если внешнее напряжение создает в р -п -переходе поле, вектор напряженности которого совпадает по направлению с вектором напряженности внутреннего поля (рисунок 1.6, а ), то высота потенциального барьера увеличивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается (рисунок 1.6, б ). Если полярность поля, создаваемого приложенным внешним напряжением, противоположна полярности собственного (внутреннего) поля и внешнее напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Рисунок 1.6 - Прямое и обратное смещение р-п -перехода

Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым , а если повышает - то обратным .

Обратный ток (i обр) в р -п -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. Его предельное значение (обозначим I Т ) называют обратным током насыщения или тепловым током .

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 р-п- переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе.

При прямом смещении p-п- перехода появляется диффузионный ток , вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя р-п -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 в электронную будет происходить инжекция дырок .

Особенности устройства р -п -перехода и процессы, протекающие в нем, рассмотрены ранее.

Гетеропереходом называют переходный слой с существующим в нем диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками. При этом проводимости двух полупроводников, образующих гетеропереход, могут быть разными или одинаковыми. Кроме этого сам переход может быть выпрямляющим или омическим .

Омическим называется переход, электрическое сопротивление которого не зависит от направления тока через него.

На рисунке 1.10 показаны структуры двух разновидностей гетеропереходов (рисунок 1.10, а , б ), а также омического перехода на контакте полупроводников с одним типом электропроводности (рисунок 1.10, в ).

а б в

Рисунок 1.10 - Разновидности электрических переходов в полупроводниковых кристаллах

На рисунке 1.11 показаны структуры полупроводниковых диодов с выпрямляющим электрическим переходом в виде р-п- перехода (рисунок 1.11, а ) и на контакте Шоттки (рисунок 1.11, б ).

а б

Рисунок 1.11 - Структуры полупроводниковых диодов на основе

р-п -перехода (а ) и перехода Шотки (б )

Буквой Н на рисунке 1.11 обозначены невыпрямляющие (омические) переходы, а буквой В - выпрямляющие электрические переходы. Буквой М обозначен металлический слой.

В основе работы большинства полупроводниковых диодов лежат процессы, происходящие в р-п -переходе, причем в реальных диодах, как правило, используются несимметричные р-п -переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей) бывает достаточно низкоомной (как правило - это р -область), а другая - высокоомной.

На рисунке 1.12 показано распределение основных носителей и области р-п -перехода в кристалле полупроводникового диода.

Рисунок 1.12 - Распределение носителей зарядов в кристалле полупроводникового диода

Вывод от р -области диода называют анодом , а от п -области - катодом . Условное графическое обозначение (УГО) диода в общем случае имеет вид, представленный на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 - УГО диода

Если положительный вывод источника напряжения подключен к аноду диода, а отрицательный - к катоду, то приложенное напряжение называется прямым , в противном случае - обратным . Ток через диод при прямом смещении р-п -перехода практически полностью определяется потоком основных носителей низкоомной области. Поэтому ее называют эмиттером. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области ширина р-п -перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то р-п -переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода определяется, в общем случае, ВАХ р-п -перехода. На рисунке 1.14 показана ВАХ диода в сравнении с ВАХ обычного (анализируемого ранее) р-п -перехода. Различия в характеристиках связаны с тем, что при анализе свойств р-п -перехода не учитывались особенности структуры кристалла диода, сопротивления полупроводниковых слоев, ширина перехода.

Рисунок 1.14 - Общий вид ВАХ диода

Если к диоду приложено прямое напряжение, превышающее по величине контактную разность потенциалов (в частности, для германиевого диода y к = 0,2-0,3 В, для кремниевого - y к = 0,6-0,7 В), то диод открыт и пропускает прямой ток (прямая ветвь ВАХ, рисунок 1.14). При этом его сопротивление незначительно (десятки-сотни Ом) и падение напряжения на диоде составляет десятые доли вольт.

При подаче обратного напряжения по абсолютной величине меньшего U обр max диод заперт и через него протекает пренебрежительно малый обратный ток I обр (обратная ветвь ВАХ, рисунок 1.14). Если обратное напряжение превысит значение U обр max , то наступает пробой р-п -перехода диода (сначала электрический, а при дальнейшем увеличении напряжения - тепловой), при котором обратный ток резко возрастает. В случае возникновения теплового пробоя диод выходит из строя («сгорает»).

В зависимости от способа изготовления р -п -перехода различают точечные , сплавные , сварные и диффузионные диоды. В точечных диодах (рисунок 1.15, а ) к предварительно очищенной поверхности кристалла полупроводника электронной проводимости прижимается жесткая заостренная игла из сплава вольфрама с молибденом. После герметизации собранного диода через него пропускают электрические импульсы большой мощности. Под действием этих импульсов приконтактная область полупроводника сильно нагревается, и непосредственно под острием иглы образуется небольшая по размерам (от 5 до 40 мкм) р -область.

Рисунок 1.15 - Способы получения р-п -перехода

В сплавных и сварных диодах (рисунок 1.15, б , в ) р -п -переход получают с помощью тонкой проволочки, содержащей атомы акцепторной примеси, при ее вплавлении или сварке с кристаллом полупроводника п -типа.

В диффузионных диодах используют метод диффузии донорных или акцепторных примесей в полупроводниковый кристалл, имеющий противоположный тип электропроводности. Диффундирующие атомы изменяют тип электропроводности небольшой части кристалла, что создает р -п -переход. Для получения малой емкости в рассматриваемом виде диодов после диффузии проводят травление приповерхностных слоев полупроводника, после которого р -п -переход сохраняется на очень малом участке, имеющем вид столика, возвышающегося над остальным кристаллом (рисунок 1.15, г ).

Эту полупроводниковую структуру называют мезаструктурой (мезадиффузионные диоды). Другую разновидность диффузионных диодов представляют собой планарные и эпитаксиально-планарные приборы (рисунок 1.15, д ), в которых диффузия примеси осуществляется через специальные «окна» в защитной окисной пленке (например, из двуокиси кремния SiO 2). Кроме небольших значений барьерной емкости в диффузионных диодах удается значительно снизить время жизни неравновесных носителей заряда за счет дополнительной диффузии золота.

Цифрами на рисунке 1.15 обозначены: 1 - р -п -переход; 2 - кристалл; 3 - омический контакт.

Для того чтобы количественно характеризовать диоды, используют различные параметры, названия и количество которых зависят от типов диодов. Некоторые из параметров используют при характеристике диодов большинства подклассов.

К ним, в частности, относятся:

I пр макс - максимально допустимый постоянный прямой ток;

U пр - постоянное прямое напряжение, соответствующее заданному току;

U обр макс - максимально допустимое обратное напряжение диода;

I обр макс - максимально допустимый постоянный обратный ток диода;

r диф - дифференциальное сопротивление диода (при заданном режиме работы).

В настоящее время существуют диоды, предназначенные для работы в очень широком диапазоне токов и напряжений. Для наиболее мощных диодов I пр макс составляет килоамперы, а U обр макс - киловольты.

Классификация полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в р -n -переходе.

Первую группу составляют выпрямительные диоды , для которых основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам.

В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:

Примерно на два порядка меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении;

Высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000-1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100-400 В;

Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - от -60 до +85 °С.

Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление при прямом смещении р -п -перехода в 1,5-2 раза меньше, чем у кремниевых, при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.

По значению выпрямленного тока выпрямительные диоды делят на диоды малой (I пр < 0,3 А), средней (0,3 А < I пр < 10 А) и большой (I пр > 10 А ) мощности.

Вторая группа диодов - высокочастотные и импульсные . В них также используют вентильный эффект, но это маломощные приборы, работающие при высоких частотах (в детекторных, смесительных каскадах) или в быстродействующих импульсных устройствах. Для диодов этих подклассов более важными являются параметры, характеризующие их быстродействие, в частности, емкость диода (обычно десятые доли-единицы пФ), время установления прямого и восстановления обратного сопротивлений (сотые доли-единицы микросекунд), частота без снижения режимов.

Условное графическое обозначение на принципиальных электрических схемах выпрямительных, высокочастотных и импульсных диодов одинаково и соответствует представленному на рисунке 1.13.

В диодах четвертой группы используют емкостные свойства р -п -перехода. В связи с тем, что р -п -переход представляет собой область , обедненную носителями зарядов , то его можно рассматривать как своеобразный плоский конденсатор , емкость которого определяется шириной р -п -перехода. Если к диоду приложить обратное напряжение и изменять его величину, то ширина р -п -перехода также будет изменяться, что эквивалентно изменению его емкости. Такое свойство р -п -перехода позволяет использовать полупроводниковый диод в качестве прибора с электрически управляемой емкостью - варикапа . Вольт-фарадная характеристика и УГО варикапа показаны на рисунке 1.17.

Кроме рассмотренных выше диодов в электронных устройствах широко используют диоды Шотки (рисунок 1.18, а ), а в специальных случаях - туннельные диоды (рисунок 1.18, б ).

Рисунок 1.17 - УГО и вольт-фарадная характеристика варикапа

а б

Рисунок 1.18 - УГО и вольт-амперные характеристики диода Шотки (а ) и туннельного диода (б )

Основным элементом диодов Шотки является электронный переход металл - полупроводник с нелинейной ВАХ. Свойства таких диодов во многом сходны со свойствами диодов с несимметричными р -п -переходами. Основное отличие диодов Шотки от диодов на основе электронно-дырочного перехода состоит в том, что в них формирование тока осуществляется основными носителями зарядов и не связано с инжекцией неосновных носителей зарядов и их рассасыванием, что обеспечивает значительно лучшие частотные характеристики таких диодов и повышает их быстродействие в импульсных устройствах.

Кроме того, сопротивление барьера Шоттки при прямом напряжении меньше прямого сопротивления р -n -перехода, поэтому прямые ветви ВАХ выпрямительного диода с барьером Шотки и диода с р-п- переходом отличаются. Диоды Шотки широко применяют в качестве элементов цифровых микросхем для улучшения их характеристик.

Туннельный диод - занимает особое место среди полупроводниковых диодов из-за свойственной ему внутренней положительной обратной связи по напряжению и хороших динамических свойств. Его ВАХ (рисунок 1.18, б ) имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок 1 -2 ). Это позволяет использовать туннельный диод в качестве активного элемента в усилителях и автогенераторах СВЧ-диапазона.

Особую группу составляют излучающие диоды и фотодиоды .

Излучающий диод (УГО представлено на рисунке 1.19, а ) - полупроводниковый диод, излучающий под действием приложенного напряжения из области р -п -перехода кванты энергии . Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

а б

Рисунок 1.19 - УГО излучающего диода (а ) и фотодиода (б )

По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы:

Диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды ;

Диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие название ИK-диоды.

Принцип действия обоих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход . Известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последней определяется типом исходного полупроводникового материала. Основными материалами для изготовления светодиодов служат фосфид галлия , арсенид-фосфид галлия , карбид кремния . Большую часть энергии, выделяемой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия . На долю энергии видимого излучения в лучшем случае приходится (10-20) %. Поэтому КПД светодиодов невелик.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды - в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах (в частности, в пультах дистанционного управления бытовой техники).

Фотодиод (УГО показано на рисунке 1.19, б ) - полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта - генерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов) свободных носителей заряда .

Фотодиоды используют для преобразования светового (или инфракрасного) излучения в электрический ток (например, в устройствах дистанционного управления бытовых приборов).

Классификация современных полупроводниковых приборов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, роду исходного полупроводникового материала находит отражение в системе условных обозначений их типов.

Система обозначений современных полупроводниковых диодов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11 336.919-81 и базируется на ряде классификационных признаков.

В основу системы обозначений положен семизначный буквенно-цифровой код, первый элемент которого (буква - для приборов широкого применения, цифра - для приборов, используемых в устройствах специального назначения) обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен прибор. Второй элемент обозначения - буква, определяет подкласс приборов, третий элемент - цифра (или буква для оптопар), определяет основные функциональные возможности прибора. Четвертый элемент - двухзначное число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа прибора, пятый элемент - буква, условно определяет классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

Например :

КД102А (2Д102А) - кремниевый выпрямительный диод со средним выпрямленным током менее 0,3 А (согласно справочнику - не более 100 мА), номер разработки 2, группа А;

АЛ103Б (3Л103Б) - арсенид-галлиевый излучающий диод ИК-диапазона, номер разработки 3, группа Б;

КС156А (2С156А) - кремниевый стабилитрон мощностью не более 0,3 Вт с напряжением стабилизации 5,6 В (номер разработки 56), группа А.

Математическая модель диода

При анализе схем электронных устройств на ЭВМ все элементы схем, в том числе и диоды, заменяются их математическими моделями. Математическая модель диода - это совокупность математических выражений, описывающих токи и напряжения в эквивалентной схеме (схеме замещения) диода. В качестве схемы замещения диода можно использовать электрическую модель Эберса - Молла для одиночного электронно-дырочного перехода, показанную на рисунке 1.20.

Рисунок 1.20 - Схема замещения полупроводникового диода

Постоянное сопротивление R д включено в схему с целью учета тока утечки. Емкость С д представляет сумму барьерной и диффузионной емкостей перехода, r - объемное сопротивление тела базы, зависящее от геометрических размеров и степени легирования полупроводника. Управляемый напряжением на переходе и п источник тока I д моделирует статическую ВАХ диода.

Ток управляемого источника тока подчиняется закону :

где I Т - ток насыщения (обратный ток) р -п -перехода;

А и М - эмпирические коэффициенты;

Т - абсолютная температура.

Числовые значения коэффициентов А и М , как правило, находят экспериментально. С этой целью можно воспользоваться ВАХ диодов, приводимыми в справочной литературе либо снятыми экспериментально. Для каждого типа диода, взависимости от его основных характеристик, технологии изготовления и т. д., эти коэффициенты будут различными.

Предложенная модель хорошо аппроксимирует ВАХ диода, кроме той области, где наступает электрический пробой (рисунок 1.21). Но, как правило, режим пробоя для большинства диодов (кроме стабилитронов) является нерабочим режимом.

Рисунок 1.21 - Аппроксимация ВАХ диода

Электрическая схема замещения диода, представленная на рисунке 1.20, в общем случае является неполной. В электрической модели (а, следовательно, и при составлении математической модели) дискретного диода необходимо также учесть наличие индуктивностей выводов L 1 и L 2 , емкости корпуса С п и контактов С к (рисунок 1.22). Такая модель называется глобальной моделью дискретного диода.

Рисунок 1.22 - Глобальная модель диода