Получение односторонней проводимости

<123 4 5 6 7 >

Во введении было отмечено, что электроника, как отрасль техники, началась с открытия односторонней проводимости в вакуумном диоде. Поэтому и при создании полупроводниковых приборов сначала стремились получить у них одностороннюю проводимость. Цель была достигнута соединением двух пластин полупроводника с разным типом проводимости (рис. 1.3). Рассмотрим, какие процессы происходят при таком соединении.

На границе соединения слоёв с разным типом проводимости положительные ионы донорной примеси слоя n притягивают отрицательные ионы акцепторной примеси слоя p. В результате в области p-n перехода (Dх) увеличивается концентрация ионизированных атомов примеси. Однако положительные ионы донорной примеси слоя n также отталкивают «дырки» слоя p, и наоборот, отрицательные ионы акцепторной примеси слоя p отталкивают электроны слоя n.

Рис. 1.3. Распределение зарядов внутри полупроводников с разным типом проводимости

Получилось, что соединение пластин вызвало перемещение зарядов, не изменив при этом абсолютного значения общего заряда, который как был, так и остался равным нулю: .

Если теперь к получившейся структуре, состоящей из двух слоёв n и p и перехода Dх между ними, подключить источник внешнего напряжения, можно убедиться в том, что такая структура обладает односторонней проводимостью.

При прямой полярности внешнего источника (+ к слою p, - к слою n) через открытый p-n переход будет проходить прямой ток значительной величины. Однако прохождение тока начнётся только тогда, когда внешнее напряжение превысит внутреннюю разность потенциалов (пороговое напряжение U_пор), которое определяется концентрацией ионизированных атомов примеси области Dх p-n перехода. Величина порогового напряжения зависит от материалов исходного полупроводника и примесей. Обычно для германия U_пор » 0,2 В, для кремния U_пор » 0,4…0,5 В.

При обратной полярности внешнего источника (- к слою p, + к слою n) через закрытый p-n переход будет проходить обратный ток весьма малой величины (в 10³…10⁵ раз меньше прямого тока открытого перехода). Величина обратного тока будет слабо зависеть от величины обратного напряжения, но будет зависеть от температуры, увеличиваясь примерно в два раза на каждые 10 ⁰С прироста температуры. Однако при превышении допустимой величины обратного напряжения напряжённость электрического поля в области Dх может превысить допустимую электрическую прочность для данного материала, и обратный ток начнёт резко возрастать. Это явление исследовал американский физик Кларенс Мэлвин Зенер (Clarence Melvin Zener). В его честь величина обратного напряжения, допустимая для полупроводникового материала, называется напряжением Зенера.

Зависимость тока через p-n переход от величины приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Примерный вид ВАХ представлен на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Вольтамперная характеристика p-n перехода

На рисунке отмечен максимально допустимый прямой ток I_{пр.макс}, при превышении которого происходит перегрев полупроводниковой структуры из-за рассеивания на ней тепла , а также напряжение Зенера, при котором наступает резкое возрастание обратного тока.

По ВАХ можно определить сопротивление p-n перехода при прямом и обратном смещении. Различают статическое и динамическое сопротивление.

Статическое сопротивление определяется по закону Ома для абсолютных значений напряжения и тока

прямое ; обратное ; (1.1)

а динамическое (дифференциальное) сопротивление - для приращений напряжения и тока

прямое ; обратное . (1.2)

1.3. Виды пробоя p-n перехода

Пробоем p-n перехода можно назвать нарушение нормального режима односторонней проводимости. По механизму возникновения различают тепловой и электрический виды пробоя.

Как было отмечено выше, при большом прямом токе происходит разогрев полупроводниковой структуры в соответствии с законом Джоуля – Ленца (физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока, установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцом). Полупроводники обладают отрицательной зависимостью удельного сопротивления от температуры. С ростом температуры сопротивление уменьшается, ток растёт, разогрев становится всё больше. Если избыток выделяющегося тепла не удаётся отвести, наступает недопустимый перегрев, и происходит тепловой пробой.

Максимально допустимая температура, при которой ещё не наступает тепловой пробой, составляет для кремния 140 ⁰С, для германия 70 ⁰С.

Электрический пробой возникает при превышении допустимого обратного напряжения. Механизм возникновения электрического пробоя связан с эффектом Зенера. Суть эффекта – прохождение электронов через потенциальный барьер в области перехода Dх (туннельный пробой). В момент возникновения туннельного пробоя начинается увеличение обратного тока.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения электроны, проходящие через потенциальный барьер, приобретают большую кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома при соударении с ним. Происходит выбивание валентных электронов, и поток электронов нарастает, как лавина. Если конструкция перехода не предусматривает его работу в области лавинного пробоя, произойдёт разрушение полупроводниковой структуры. Максимально допустимое обратное напряжение, которое указывается в справочниках, устанавливается на уровне 0,7…0,8 от величины напряжение Зенера.

1.4. Ёмкости p-n перехода

Из рис. 1.3 видно, что в области p-n перехода группируются заряды ионизированных атомов донорной и акцепторной примесей. Эти заряды не могут пройти через p-n переход, так как для них он является закрытым, но они создают электрическое поле, которое влияет на процесс протекания тока.

При приложении обратного напряжения разность потенциалов в области Dх увеличивается, незначительно увеличивается и заряд. Обозначим зависимость заряда от напряжения . Тогда величина ёмкости закрытого p-n перехода, которую называют барьерной, определится как

. (1.3)

График зависимости барьерной ёмкости от величины обратного напряжения представлен на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Зависимость барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения

При приложении прямого напряжения через p-n переход начинает протекать прямой ток, и весь объём полупроводниковой структуры начинает насыщаться зарядами, поступающими из источника внешнего питания. Ёмкость, которая накапливает заряды, называется диффузионной. Обозначим зависимость заряда от тока . Заряд прямо пропорционален току, а напряжение открытого p-n перехода мало зависит от тока, так как дифференциальное сопротивление мало. Отсюда следует, что диффузионная ёмкость прямо пропорциональна прямому току

, (1.4)

где - температурный потенциал, В при 20 ⁰С;

t - среднее время жизни заряда от инжекции до его рекомбинации.

В расчётах принимают общую ёмкость p-n перехода равной сумме барьерной и диффузионной ёмкостей С_пер = С_бар + С_диф. Такое допущение можно сделать, поскольку диффузионная ёмкость при обратном смещении практически равна нулю, а при прямом смещении С_диф > С_бар.

1.5. Конструктивное исполнение p-n перехода

По конструктивному исполнению различают точечные и плоскостные p‑n переходы. Схематическое устройство таких переходов представлено на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Конструктивное исполнение p-n перехода:

а – точечного; б - плоскостного

А – вывод анода; К – вывод катода; 1 – металлический держатель пластины полупроводника;

2 – пластина полупроводника (Ge или Si); 3 – p-n переход; 4 – вольфрамовая игла;

5 – пластина сплава индия или алюминия

У точечного p-n перехода к центру германиевой или кремниевой пластины n-типа прижато остриё тонкой металлической (обычно вольфрамовой) иглы, концы которой могут быть покрыты слоем индия или золота. Вблизи острия иглы небольшая часть пластины в процессе технологической обработки приобретает проводимость p-типа. Между этой областью и пластиной получается p-n переход с односторонней проводимостью от иглы к пластине. Преимущество такой конструкции – весьма малая ёмкость p-n перехода (единицы пФ). Недостаток – малые величины прямого тока и обратного напряжения (I_п £ 30 мА, U_обр £ 30 В).

У плоскостного p-n перехода держатель полупроводниковой пластины выполнен из вольфрама и закреплён на металлическом корпусе. Этим достигается хороший отвод тепла и предотвращается растрескивание полупроводниковой пластины при тепловом расширении. В центр пластины полупроводника n-типа вплавляется пластина индия (для Ge) или алюминия (для Si). В месте плавления происходит диффузия атомов примеси в пластину полупроводника, проводимость этого объёма меняется на проводимость p-типа, и образуется p-n переход достаточно большой площади. Преимущество такой конструкции – большие величины прямого тока и обратного напряжения (I_п ³ 100 мА, U_обр ³ 100 В). Недостаток – большая ёмкость p-n перехода (сотни нФ). Из-за такой большой ёмкости плоскостные p-n переходы не могут работать на высокой частоте переменного тока.

Более подробные сведения о свойствах p-n переходов приведены в литературе [5].

Пример расчёта динамического (дифференциального) сопротивления p-n перехода

Определить дифференциальное сопротивление при прямом и обратном смещении, если при изменении прямого напряжения U_пр с 0,45 до 0,55 В прямой ток I_пр изменился с 2,5 до 7,5 мА, а при изменении обратного напряжения U_обр с 5 до 10 В обратный ток I_обр изменился с 20 до 40 мкА.

Решение. Динамическое (дифференциальное) сопротивление рассчитывается для приращений напряжения и тока (выражение 1.2).

При прямом смещении: кОм или 20 Ом.