Полупроводниковые диоды, p-n-переход, виды пробоев, барьерная емкость, диффузионная емкость


Устройство диодаПолупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий 2 вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.2, а, б.

Буквами

p

и

n

обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно

p

-типа и n-типа.

Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое

p

и электронов в слое

n

) сильно различаются. Слой полупроводника, имеющий большую концентрацию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концентрацию — базой.

рис 1.2

Далее рассмотрим основные элементы диода (

p

n

-переход и невыпрямляющий контакт металл-полупроводник), физические явления, лежащие в основе работы диода, а также важные понятия, использующиеся для описания диода. Глубокое понимание физических явлений и владение указанными понятиями необходимо не только для того, чтобы правильно выбирать конкретные типы диодов и определять режимы работы соответствующих схем, выполняя традиционные расчеты по той или иной методике. В связи с быстрым внедрением в практику инженерной работы современных систем схемотехнического моделирования эти явления и понятия приходится постоянно иметь в виду при выполнении математического моделирования. Системы моделирования быстро совершенствуются, и математические модели элементов электронных схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» физические явления. Это делает весьма желательным постоянное углубление знаний в описываемой области и необходимым понимание основных физических явлений, а также использование соответствующих основных понятий.

Приведенное ниже описание основных явлений и понятий, кроме прочего, должно подготовить читателя к систематическому изучению вопросов математического моделирования электронных схем.

Рассматриваемые ниже явления и понятия необходимо знать при изучении не только диода, но и других приборов.

Структура

p

n

-перехода.

Вначале рассмотрим изолированные друг от друга слои полупроводника (рис. 1.3). рис 1.3

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.4). рис 1.4

В отечественной литературе по электронике уровни зонных диаграмм и разности этих уровней часто характеризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя их в вольтах, например, указывают, что ширина запрещенной зоны ф5 для кремния равна 1,11 В.

В то же время зарубежные системы схемотехнического моделирования реализуют тот подход, что указанные уровни и разности уровней характеризуются той или иной энергией и измеряются в электрон-вольтах (эВ), например, в ответ на запрос такой системы о ширине запрещенной зоны в случае кремниевого диода вводится величина 1,11 эВ.

В данной работе используется подход, принятый в отечественной литературе.

Теперь рассмотрим контактирующие слои полупроводника (рис. 1.5). рис 1.5

В контактирующих слоях полупроводника имеет место диффузия дырок из слоя

p

в слой

n

, причиной которой является то, что их концентрация в слое

p

значительно больше их концентрации в слое

n

(существует градиент концентрации дырок). Аналогичная причина обеспечивает диффузию электронов из слоя

n

в слой

p

. Диффузия дырок из слоя

p

в слой

n

, во-первых, уменьшает их концентрацию в приграничной области слоя

p

и, во-вторых, уменьшает концентрацию свободных электронов в приграничной области слоя

n

вследствие рекомбинации. Подобные результаты имеет и диффузия электронов из слоя

n

в слой

p

.

В итоге в приграничных областях слоя

p

и слоя

n

возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление. Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют нескомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью

E

, указанной на рис. 1.5. Это поле препятствует переходу дырок из слоя

p

в слой

n

и переходу электронов из слоя

n

в слой

p

. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя

n

в слой

p

и электроны из слоя

p

в слой

n

. В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному, обусловленному градиентом концентрации. В несимметричном p-n-переходе более протяженным является заряд в слое с меньшей концентрацией примеси, т. е. в базе.

Изобразим зонную диаграмму для контактирующих слоев (рис. 1.6), учитывая, что уровень Ферми для них является единым. рис 1.6

Рассмотрение структуры p-n-перехода и изучение зонной диаграммы (рис. 1.6) показывают, что в области перехода возникает потенциальный барьер. Для кремния высота Аф потенциального барьера примерно равна 0,75 В.

Примем условие, что потенциал некоторой удаленной от перехода точки в слое

p

равен нулю. Построим график зависимости потенциала Ф от координаты

x

соответствующей точки (рис. 1.7). Как видно из рисунка, значение координаты

x

= 0 соответствует границе слоев полупроводника. рис 1.7

Важно отметить, что представленные выше зонные диаграммы и график для потенциала Ф (рис. 1.7) строго соответствуют подходу, используемому в литературе по физике полупроводников, согласно которому потенциал определяется для электрона, имеющего отрицательный заряд.

В электротехнике и электронике потенциал определяют как работу, совершаемую силами поля по переносу единичного положительного заряда.

Построим график зависимости потенциала Фэ, определяемого на основе электротехнического подхода, от координаты

x

(рис. 1.8). рис 1.8

Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем опускать и использовать только электротехнический подход (за исключением зонных диаграмм).

Прямое и обратное включение

p

n

-перехода. Идеализированное математическое описание характеристики перехода.

Подключим к p-n-переходу внешний источник напряжения так, как это показано на рис. 1.9. Это так называемое прямое включение

p

n

-перехода. В результате потенциальный барьер уменьшится на величину напряжения

u

(рис. 1.10), дрейфовый поток уменьшится,

p

n

-переход перейдет в неравновесное состояние, и через него будет протекать так называемый прямой ток. рис 1.9 - 1.10

Подключим к p-n-переходу источник напряжения так, как это показано на рис. 1.11. Это так называемое обратное включение

p

n

-перехода. Теперь потенциальный барьер увеличится на напряжение

u

(рис. 1.12). В рассматриваемом случае ток через p-n-переход будет очень мал. Это так называемый обратный ток, который обеспечивается термогенерацией электронов и дырок в областях, прилегающих к области p-n-перехода. рис 1.11 - 1.12

Обозначим через

u

напряжение на p-n-переходе, а через

i

ток перехода (рис. 1.13). рис 1.13

Для идеального p-n-перехода имеет место следующая зависимость тока

i

от напряжения

u

:

i = is · (eu/φr — 1),

причем

φ

т

= kT/q

где is ток насыщения (тепловой ток), индекс

s

— от английского “saturation current”, для кремниевых диодов обычно is = 10-15… 10-22 А;

к — постоянная Больцмана, к = 1,38 •10-23 Дж/К = 8,62 • 10-5 эВ/К;

Т — абсолютная температура, К;

q — элементарный заряд, q = l,6•10-19 Кл;

φт— температурный потенциал, при температуре 20°С (эта температура называется комнатной в отечественной литературе) φт = 0,025 В, при температуре 27°С (эта температура называется комнатной в зарубежной литературе) φт = 0,026 В.

Изобразим график зависимости тока

i

от напряжения

u

, которую называют вольтамперной характеристикой p-n-перехода (рис. 1.14). рис 1.14

Полезно отметить, что, как следует из приведенного выше выражения, чем меньше ток is, тем больше напряжение

u

при заданном положительном (прямом) токе. Учитывая, что ток насыщения кремниевых (

Si

) переходов обычно меньше тока насыщения германиевых (

Ge

) переходов, изобразим соответствующие вольтамперные характеристики (рис. 1.15). рис 1.15

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

r

диф

, которое определяется выражением:

r

диф

=

du

/

di

где

u

напряжение на переходе;

i

ток перехода (см. рис. 1.13).

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). Изобразим соответствующий участок вольтамперной характеристики p-n-перехода (рис. 1.16). рис 1.16

В основе пробоя

p

n

-перехода лежат три физических явления:

·

туннельного пробоя

p

n

-перехода (эффект, явление Зенера);

·

лавинного пробоя

p

n

-перехода;

·


теплового пробоя

p

n

-перехода.

Термин «пробой» используется для описания всей совокупности физических явлений и каждого отдельного явления.

И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Туннельный пробой.

Его называют также зенеровским пробоем по фамилии (Zener) ученого, впервые описавшего соответствующее явление в однородном материале. Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процессы при пробое перехода, в основе которых лежал лавинный пробой.

В иностранной литературе до сих пор называют диодами Зенера стабилитроны (диоды, работающие в режиме пробоя) независимо от того, используется туннельный или лавинный пробой. Напряжение, при котором начинается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяснения механизма туннельного пробоя схематически изобразим соответствующую зонную диаграмму p-n-перехода (рис. 1.17).

рис 1.17

Если геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина, толщина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект — явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в

p

n

-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.

Лавинный пробой.

Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах, схематично явление лавинного пробоя изобразим на рис. 1.18. рис 1.18

Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление).

Тепловой пробой.

Увеличение тока при тепловом пробое объясняется разогревом полупроводника в области

p

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 (соответствующий полупроводниковый прибор выходит из строя).

Явление изменения нескомпенсированных объемных зарядов в области p-n-перехода.

Барьерная емкость.

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.

При увеличении обратного напряжения область пространственных зарядов (главным образом за счет базы) и величина заряда в каждом слое (

p

и

n

) полупроводника увеличиваются. Это увеличение происходит непропорционально: при большом по модулю обратном напряжении заряд увеличивается при увеличении модуля напряжения медленнее, чем при малом по модулю обратном напряжении.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.19), где используем обозначения:

Q — пространственный заряд в слое

n

полупроводника;

u

— внешнее напряжение, приложенное к

p

n

-переходу. рис 1.19

Обозначим через f функцию, описывающую зависимость Q от

u

. В соответствии с изложенным

Q = f(

u

)

.

В практике математического моделирования (и при ручных расчетах) удобно и поэтому принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. На практике широко используют так называемую барьерную емкость С6ар

p

n

-перехода, причем по определению

С6ар = |

dQ

/

du

|

Изобразим графики для Q (рис. 1.20) и

C

бар

(рис. 1.21). рис 1.20 - 1.21

Явление возникновения и изменения объемного заряда неравновесных носителей электричества. Диффузионная емкость.

Если напряжение внешнего источника напряжения смещает p-n-переход в прямом направлении (

u

> 0

), то начинается инжекция (эмиссия) — поступление неосновных носителей электричества в рассматриваемый слой полупроводника. В случае несимметричного

p

n

-перехода (что обычно бывает на практике) основную роль играет инжекция из эмиттера в базу.

Далее предполагаем, что переход несимметричный и что эмиттером является слой

p

, а базой — слой

n

. Тогда инжекция — это поступление дырок в слой

n

. Следствием инжекции является возникновение в базе объемного заряда дырок.

Известно, что в полупроводниках имеет место явление диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла), которое состоит в том, что возникший объемный заряд практически мгновенно компенсируется зарядом подошедших свободных носителей другого знака. Это происходит за время порядка 10-12 с или 10-11 с.

В соответствии с этим поступивший в базу заряд дырок будет практически мгновенно нейтрализован таким же по модулю зарядом электронов.

Используем обозначения:

Q — объемный заряд неравновесных носителей в базе;

u

— внешнее напряжение, приложенное к

p

n

-переходу;

f

— функция, описывающая зависимость

Q

от

u

.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.22). рис 1.22 - 1.23

В соответствии с изложенным

Q = f(

u

)

На практике удобно и принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. При этом используют понятие диффузионной емкости

C

диф

p-n-перехода, причем по определению

C

диф

=

dQ

/

du

Емкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе.

C

диф

удобно и принято описывать не как функцию напряжения

u

, а как функцию тока

i

p-n-перехода.

Сам заряд Q прямо пропорционален току

i

(рис. 1.23, а). В свою очередь ток

i

экспоненциально зависит от напряжения

u

(соответствующее выражение приведено выше), поэтому производная

di

/

du

также прямо пропорциональна току (для экспоненциальной функции ее производная тем больше, чем больше значение функции). Отсюда следует, что емкость Сдиф прямо пропорциональна току i (рис.1.23,6):

C

диф

=

i

·

τ

/

φ

т

где φт — температурный потенциал (определен выше);

τ — среднее время пролета (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).

Среднее время пролета — это время, за которое инжектируемые носители электричества проходят базу, а время жизни — время от инжекции носителя электричества в базу до рекомбинации.

Общая емкость

p

n

-перехода.

Эта емкость Спер равна сумме рассмотренных емкостей, т. е. Спер = Сбар + Сдиф.

При обратном смещении перехода (

u

< 0

) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно

Сбар < Сдиф

.

Невыпрямляющий контакт металл-полупроводник.

Для подключения внешних выводов в диодах используют так называемые невыпрямляющие (омические) контакты металл-полупроводник. Это такие контакты, сопротивление которых практически не зависит ни от полярности, ни от величины внешнего напряжения.

Получение невыпрямляющих контактов — не менее важная задача, чем получение p-n-переходов. Для кремниевых приборов в качестве металла контактов часто используют алюминий. Свойства контакта металл-полупроводник определяются разностью работ выхода электрона. Работа выхода электрона из твердого тела — это приращение энергии, которое должен получить электрон, находящийся на уровне Ферми, для выхода из этого тела.

Обозначим работу выхода для металла через Aм, а для полупроводника — через Aп. Разделив работы выхода на заряд электрона q, получим соответствующие потенциалы:

φm

=

Am

/

q

,

φn

=

An

/

q

Введем в рассмотрение так называемую контактную разность потенциалов

φmn

:

φmn

=

φm

φn

Для определенности обратимся к контакту металл-полупроводник n-типа. Для получения невыпрямляющего контакта необходимо выполнение условия

φmn

< 0

.

Изобразим соответствующие зонные диаграммы для неконтактирующих металла и полупроводника (рис. 1.24). рис 1.24

Как следует из диаграммы, энергетические уровни в полупроводнике, соответствующие зоне проводимости, заполнены меньше, чем в металле. Поэтому после соединения металла и полупроводника часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Это приведет к увеличению концентрации электронов в полупроводнике типа

n

.

Таким образом, проводимость полупроводника в области контакта окажется повышенной и слой, обедненный свободными носителями, будет отсутствовать. Указанное явление оказывается причиной того, что контакт будет невыпрямляющим. Для получения невыпрямляющего контакта металл-полупроводник p-типа необходимо выполнение условия

φ

мп

> 0

.


Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: