Получение односторонней проводимости

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.

При обратном смещении: МОм или 250 кОм.

Динамическое сопротивление при обратном смещении больше динамического сопротивления при прямом смещении в 250/0,02 = 12500 раз.

Контрольные вопросы

1. По какому признаку вещества относят к полупроводникам?

2. Какое удельное сопротивление имеют полупроводники?

3. Как зависит удельное сопротивление полупроводника от температуры?

4. Какой вид примеси позволяет получить электронный тип проводимости?

5. Какой вид примеси позволяет получить дырочный вид проводимости?

6. Как достигается односторонняя проводимость в полупроводнике?

7. Нарисуйте ВАХ p-n перехода. Как по ВАХ рассчитать прямое и обратное статическое и динамическое сопротивление?

8. Что вызывает тепловой пробой p-n перехода? Что следует ограничить, чтобы не возникал тепловой пробой?

9. Что вызывает электрический пробой p-n перехода? Что следует ограничить, чтобы не возникал электрический пробой?

10. В чём отличие точечных и плоскостных p-n переходов?