Плоскостной электронно-дырочный переход.

Основные понятия теории электропроводности полупроводников.

Электропроводность твердых тел объясняется движением свободных электронов, т.е. электронов, утративших валентную связь с ядрами атомов. По электропроводности все вещества условно принято делить на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Полупроводниковые материалы делятся на собственные (чистые) и примесные. При температуре 0˚К электроны в полупроводниках отсутствуют, и они являются диэлектриками. Для того чтобы в полупроводнике образовались свободные электроны, его кристалл необходимо нагреть или осветить, т.е. затратить для разрыва ковалентных связей некоторое количество энергии, подведенной извне.

Влияние примесей в полупроводнике на возникновение электронной или дырочной проводимости.

Примеси увеличивают концентрацию или электронов или дырок. При увеличении концентрации электронов (например если в кристаллическую решётку 4-валентного кремния ввести примесь 5-валентного элемента(фосфора, сурьмы, мышьяка)) увеличивается вероятность рекомбинации, поэтому концентрация дырок уменьшается. Основными носителями зарядов в таких полупроводниках являются электроны, поэтому такой полупроводник называется полупроводником n-типа. Неосновными носителями заряда в нём являются дырки. Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами.

При увеличении концентрации дырок (например, при введении примеси 3-валентного элемента (бора, индия, алюминия)) уменьшается концентрация электронов. Основными носителями зарядов таких полупроводников являются дырки, поэтому полупроводник называется полупроводником p-типа. Неосновными носителями заряда являются электроны. Вещества отбирающие электроны называются акцепторами.

Качество полупроводниковых приборов на 90 % определяется степенью частоты (собственного сопротивления).

Нарушение ковалентной связи приводит к одновременному образованию свободного электрона и дырки. В чистом полупроводнике количество свободных электронов равно числу дырок , где n – число электронов, p- число дырок. Процесс образования электронно-дырочных пар при повышении температуры называется термогенерацией, а обратный процесс - рекомбинацией носителей зарядов. В результате рекомбинации появляются ионы.

Дырка, как и свободный электрон, совершает хаотическое движение в кристалле полупроводника и ведет себя подобно частице с положительным элементарным зарядом. При внесении кристалла полупроводника в электрический ток, движение электронов и дырок упорядочивается. Они начинают двигаться в противоположных направлениях. Поэтому различают электропроводности электронную n–типа и дырочную p–типа.

Схематическая структура p-n перехода в равновесном состоянии.

Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии.

Ток в кристалле полупроводника состоит из двух составляющих: дрейфового и диффузионного токов .

Дрейфовый ток в кристалле возникает в виде упорядоченного движения электронов и дырок под действием внешнего электрического поля Е. Он имеет электронную и дырочную составляющие .

Диффузионный ток создается за счет разности концентрации носителей движением заряженных частиц из областей кристалла с повышенной концентрацией в область, обедненную носителями, и также имеет электронную и дырочную составляющие

Характер токопрохождения и величина тока зависят от полярности и величины приложенного напряжения. Если «+» подключен к контакту слоя p, а «-» к контакту слоя n, то напряжение на переходе понизится, равновесие между и нарушится и через переход будет протекать прямой ток.

Если полярность источника питания изменить на обратную, то через p-n-переход могут пройти только неосновные носители зарядов. Направление тока этих зарядов противоположно направлению прямого тока, поэтому его называют обратным током. Его величина мала, т.к. число неосновных носителей очень невелико.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют примесные (легированные) полупроводники, обладающие, в отличие от чистых, значительно большей электропроводностью. В зависимости от рода примесей в полупроводнике в них преобладает либо электронная, либо дырочная электропроводность.

При легировании 4-хвалентного элемента (Si кремний или Ge германий) 5-тивалентным (Sb сурьма, As мышьяк, P фосфор) – донорная примесь - число свободных электронов превышает число дырок. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью и является полупроводником n–типа.

При легировании кристалла Si кремния или Ge германия примесью 3-хвалентного элемента (B бор, In индий, Al алюминий) – акцепторная примесь - число свободных дырок превышает число электронов. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью и является полупроводником p–типа.

Плоскостной электронно-дырочный переход.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p-n-перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, то под его действием в цепи возникнет электрический ток. При больших обратных напряжениях наблюдается скачкообразное увеличение обратного тока. Это явление называется пробоем p-n-перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя.

p-n переход

- - - + - + + + - n - + - + p + - - - + - + + +

электроны в р-области, дырки – в
n-области

Ионы в твердом теле не переносят электрических зарядов.

При подаче к полупроводнику положительного смещения запирающий слой исчезает, при дальнейшем увеличении прямого напряжения происходит инжекция носителей в ту область, где они не являются основными. Если теперь приложить запирающее напряжение, через p – n переход будет некоторое время протекать ток, использованный необходимостью возврата носителей в ту область, где они являются основными.

Явление рассасывания носителей ограничивает быстродействие полупроводниковых приборов.

При увеличении запирающего напряжения увеличивается ширина запирающего слоя.

Запертый p – n переход представляет собой переменный конденсатор, величина которого обратно пропорциональна величине запирающего напряжения (используется в варикапах) – барьерная емкость.

ВАХ p-n-перехода

Ge

Si

GaAs

U, B

0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

p-n переход - область высокого сопротивления, потому что не имеет подвижных зарядов. Т.о. полупроводниковые диоды обладают односторонней проводимостью.

Напряжение смещенного p-n-перехода кремниевого диода = 0,6 В.

Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.

Электрический пробой является обратимый и используется в качестве рабочего режима при создании некоторых п/п приборов - лавинных диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов.

Лавинный пробой возникает при прикладывания к р-n-переходу высокого обратного напряжения. В этом случае неосновные носители могут приобретать в поле р-n-перехода настолько большую кинетическую энергию, что вызывают ударную ионизацию полупроводника, т.е., оставаясь в прежней энергетической зоне, носитель передает энергию носителю валентной зоны, переводя его в зону проводимости и создавая электронно-дырочную пару. Это приводит к лавинообразному нарастанию обратного тока.

Туннельный пробой возникает при меньших обратных напряжениях, чем лавинный, и обусловлен просачиванием неосновных носителей через барьер в зону, где они становятся основными носителями, за счёт туннельного эффекта.

Тепловой пробой возникает вследствие перегрева и разрушения р-n-перехода, протекающим через него током и является необратимым. Для его предотвращения нужно ограничить ток.

Р-n-переход обладает ёмкостью. Причем суммарная емкость состоит из барьерной и диффузионной: С = С_бар+С_диф

Основное значение имеет барьерная ёмкость, которая возникает при приложении к р-n переходу обратного запирающего напряжения. Зависит от величины обратного напряжения и площади р-n-перехода и может достигать . Обкладки – р и n области, диэлектрик – p-n-переход. Использование барьерной емкости позволяет создавать конденсаторы с переменной емкостью, управляемой обратным напряжением. Такие приборы называются варикапами. Соотношение минимальной и максимальной емкостей может составлять 1- 5

Коэффициент перекрытия по ёмкости может достигать 5

Для вывода варикапа на рабочую точку необходимо подать напряжение, величину которого определяет частота настроечного контура. Для исключения протекания постоянного тока через катушку включают дополнительный конденсатор, ёмкость которого гораздо больше

Результирующая ёмкость контура определяется

Диффузионная ёмкость обусловлена накоплением заряда неосновных носителей при прямом смещении и рассасыванию его при обратном смещении. При прямом смещении ток в р-n- переходе в начальный момент представляет собой в основном ток заряда ёмкости С_диф. При обратном включении - обратный ток в начальный момент времени - ток перезаряда С_диф. С_диф оказывает существенное негативное влияние на быстродействие, является причиной появления сквозных токов в выпрямителях. Значение С_диф существенно больше, чем С_бар, но использовать её не удаётся, т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Параллельное и последовательное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные, лавинно-пролетные

В химически чистых полупроводниках концентрация дырок равна концентрации электронов ( ). Такой полупроводник называется полупроводником с собственной проводимостью. Чистые полупроводники в полупроводниковых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают односторонней проводимости. Подвижные носители заряда в собственных полупроводниках возникают обычно в результате термогенерации. Техническое применение получили так называемые примесные полупроводники, в которых в зависимости от рода введённой примеси преобладает либо электронная, либо дырочная проводимость. Примеси, атомы которых отдают электроны, называются донорами, а вещества отбирающие электроны, называются акцепторами.

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий 2 вывода. В зависимости от области применения полупроводниковые диоды делятся на след основные группы: выпрямительные, универсальные, импульсные, сверхвысокочастотные, варикапы, туннельные, обращённые, фотоизлучательные, стабилитроны. По типу p-n перехода различают: плоскостные и точечные.

Общие параметры диодов:

1) допустимая температура перехода;

2) допустимая мощность, рассеиваемая диодом;

3) допустимый прямой ток;

4) обратное напряжение;

5) прямое и обратное сопротивление диода постоянному току;

6) прямое и обратное дифференциальное сопротивление переменному току;

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1) По конструкции:

• плоскостные диоды;
• точечные диоды;
• микросплавные диоды.

2) По мощности:

• маломощные;
• средней мощности;
• мощные.

3) По частоте:

• низкочастотные;
• высокочастотные;
• СВЧ.

4) По функциональному назначению:

• выпрямительные диоды;
• импульсные диоды;
• стабилитроны;
• варикапы;
• светодиоды;
• тоннельные диоды
• и так далее.

В основе классификации диодов лежат различные признаки:

· Вид электрического перехода (точечный, плоскостной);

· Физические процессы в переходе (туннельный, лавинно-пролетный);

· Характер преобразования энергии сигнала (фотодиод, светодиод, магнитодиод и т.д.);

· Диапазон рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ диоды);

· Конструктивно-технологические особенности (диффузионные, эпитаксиальные, Шоттки и т.д.);

В курсе изучения электроники основное внимание будем уделять изучению диодов с точки зрения:

· Применяемого исходного материала для изготовления диодов: кремниевые, германиевые, селеновые и т.д.;

· Использованию нелинейных свойств p-n-перехода: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, импульсные.

На электронных схемах диоды обозначаются следующим образом:

Выпрямительный

Туннельный

Обращенный

Диоды являются полупроводниковыми приборами, которые пропускают ток в одном направлении. При прикладывании к диоду прямого напряжения («+» к аноду, а «-» к катоду), резко возрастает значение прямого тока, который во много раз больше обратного . Диоды не имеют диффузионной емкости, что обуславливает их высокое быстродействие; а также присутствуют высокие обратные токи, а следовательно низкое максимальное обратное напряжение и малое U_{пр max}.