Лекция 2. Полупроводниковые диоды

Электронно-дырочный переход и его свойства . Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая - дырочную электропроводность. Технологический процесс созадния электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, 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 электронно-дырочного перехода показано на рис. 2.1 а. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (N - область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (P - область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Электроны в N-области стремятся проникнуть в Р-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р-области перемещаются в N-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и Р-областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено на рис. 2.1 б.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Е собств, направление которого показано на рис. 2.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов N- и Р-областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

где  T =kT/q - тепловой потенциал, N n и Р р - концентрации электронов и дырок в N- и Р-областях, n i - концентрация носителей в нелегированном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6... 0,7В, а для кремния - 0,9... 1,2В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-ппереходу. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока (2.2) и тока проводимости:

Уравнение (2.3) называется уравнением Эберса - Молла, а соответствующая ему вольт-амперная характеристика p-n-перехода приведена на рис. 2.3. Поскольку при  т =ЗООК тепловой потенциал T=25мВ, то уже при U = 0,1 В можно считать, что

Дифференциальное сопротивление p-n-перехода можно определить, воспользовавшись формулой (2.3):

откуда получаем

Так, например, при токе I = 1А и  т = 25 мВ дифференциальное сопротивление перехода равно 25м0м.

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов  к. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей и называется лавинным пробоем. При лавинном пробое p-n-перехода ток через переход неграниченно возрастает при неизменном напряжении на нем, как показано на рис. 2.3.

Полупроводниковый p-n-переход имеет емкость, которая в общем случае определяется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения напряжения на нем, т. е. C=dq/du . Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьером и определяется по формуле

где  к - контактная разность потенциалов, U - обратное напряжение на переходе, C бар (0) - значение барьерной емкости при U=0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полупроводникового кристалла. Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения приведена на рис. 2.4.

Теоретически барьерная емкость существует при прямом напряжении на p-n-переходе, однако она шунтируется низким дифференциальным сопротивлением r диф.

При прямом смещении p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямого тока I и времени жизни неосновных носителей  р. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости можно получить по формуле

Полная емкость перехода при прямом смещении определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей

При обратном смещении перехода диффузионная емкость отсутствует и полная емкость состоит только из барьерной емкости.

Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и один (или несколько) p-n-переходов. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов использыют различные свойства p-n-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

При большом токе через p-n-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом выражения (2.4) вольтамперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 2.5 а, а его структура на рис. 2.5 б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом (по анологии с электровакуумным диодом), а электрод, подключенный к области N, - катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 2.5 в.

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

Падение напряжения U np на диоде при некотором значении прямого тока;

Обратный ток I обр при некотором значении обратного напряжения;

Среднее значение прямого тока I np.cp ;

Импульсное обратное напряжение U обр.и.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

Время восстановления t вос обратного напряжения;

Время нарастания прямого тока I вар;

Предельная частота без снижения режимов диода f m ax .

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода, которая приведена на рис. 2.5 в. Типовые значения статических параметров силовых диодов приведены в табл. 2.1.

Т
аблица 2.1

Время обратного восстановления диода t вoc является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока I пр на заданное обратное напряжение U обр. Графики такого переключения приведены на рис. 2.6 а. Схема испытания, приведенная на рис. 2.6 б, представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку R н и питаемый от источника напряжения прямоугольный формы.

Напряжение на входе схемы в момент времени t=0 скачком приобретает положительное значение U m . Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени t нар. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после t нар становится равным U пр. В момент времени t 1 в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода i=I н  U m /R н.

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t 2 , когда полярность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе p-n-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противоположное. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывания t рас начинается процесс выключения диода, т.е. процесс восстановления его запирающих свойств.

К моменту времени t 3 напряжение на диоде становится равным нулю и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени t 4 , после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным нулю, а напряжение достигает значения -U m , - Таким образом, время t вос можно отсчитывать от перехода Uд через нуль до достижения током диода нулевого значения I д =0.

Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода показывает, что он не является идеальным вентилем и в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Время рассасывания неосновных носителей в p-n-переходе можно определить по формуле

где  p - время жизни неосновных носителей.

Время восстановления обратного напряжения на диоде можно оценить по приближенному выражению

Следует отметить, что при R н =0 (что соответствует работе диода на емкостную нагрузку) обратный ток через диод в момент его запирания может во много раз превышать ток нагрузки в стационарном режиме.

Из рассмотрения графиков рис. 2.6 а следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямленного напряжения. При работе диода на низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют и потери в диоде резко снижаются.

При изменении температуры корпуса диода изменяются его параметры. Эта зависимость должна учитываться при разработке аппаратуры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) на диоде имеет отрицательное значение, так как при увеличении температуры напряжение на диоде уменьшается. Приближенно можно считать, что ТКН U пр =-2мВ/К.

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10°С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых - 2,5 раза.

Потери в выпрямительных диодах можно рассчитывать по формуле

где Р пр - потери в диоде при прямом направлении тока, Р обр - потери в диоде при обратном токе, Р вос - потери в диоде на этапе обратного восстановления.

Приближенное значение потерь в прямом направлении можно рассчитать по формуле

где I пр.ср и U пр.ср - средние значения прямого тока и прямого напряжения на диоде. Аналогично можно рассчитать потери мощности при обратном токе:

И, наконец, потери на этапе обратного восстановления определяются по формуле

где f - частота переменного напряжения.

После расчета мощности потерь в диоде следует определить температуру корпуса диода по формуле

где Т п.макс = 150 0 С - максимально допустимая температура кристалла диода, R п.к. - тепловое сопротивление переход-корпус диода (приводится в справочных данных на диод), Т к.макс - максимально допустимая температура корпуса диода.

Диоды с барьером Шотки . Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

Более низкое прямое падение напряжения;

Имеют более низкое обратное напряжение;

Более высокий ток утечки;

Почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проектировании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150В. При этом напряжении прямое напряжение ДШ меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2...0,3В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4...0,6В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5... 1,0 В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3...0,4В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10...15%. Максимальная рабочая частота ДШ превышает 200кГц при токе до 30А.

Лекция 3. Специальные типы полупроводниковых диодов

Разновидности полупроводниковых диодов . К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства р-n-переходов: управляемая полупроводниковая емкость - варикапы и варакторы; зенеровский и лавинный прибой - стабилитроны; туннельный эффект - туннельные и обращенные диоды; фотоэффект - фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов - светодиоды; многослойные диоды - динисторы. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие, как тиристоры и двухбазовые диоды.

Варикапы - это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость p-n-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и с увеличением его уменьшается. Добротность барьерной емкости варикапа может быть достаточно высокой, так как она шунтируется достаточно высоким сопротивлением диода при обратном смещении.

Схематическое изображение варикапа приведено на рис. 3.1 а, а его вольтфарадная характеристика - на рис. 3.1 б. Условное обозначение варикапа содержит из пять элементов. Первый элемент обозначает материал, из которого изготовлен варикап (К - кремний). Второй элемент обозначает принадлежность диода к подклассу варикапов (В - варикап). Третий элемент - цифра, определяющая назначение варикапа (1 - для подстроечных варикапов, 2 - для умножительных варикапов). Четвертый элемент - это порядковый номер разработки. И наконец, пятый элемент - соответствует разбраковке по параметрам. Так, например, на рис. 3.1 б приведена характеристика варикапа КВ117А.

Теоретическое значение емкости варикапа можно определить по формуле

где С 0 - начальная емкость варикапа при U в =0, U в - напряжение на варикапе,  к - контакная разность потенциалов.

Основными параметрами варикапа являются: его начальная емкость С о, добротность Q c , коэффициент перекрытия по емкости К с. Добротность варикапа определяется отношением реактивной мощности варикапа Q к мощности Р:

*В дальнейшем все диоды (т. е. двухэлектродные приборы с п-р-переходом) обозначаются VD или D, как на рис. 3.1.

Коэффициент перекрытия по емкости определяется как отношение максимальной емкости С max варикапа к его минимальной емкости C min

Кроме этого, часто указывают температурный коэффициент емкости варикапа  с =С/Tи предельную частоту f пред, при которой добротность варикапа снижается до Q=1.

Добротность варикапа увеличивается с увеличением обратного напряжения и с уменьшением рабочей частоты. Графики зависимости добротности варикапа КВ117А от частоты и обратного напряжения приведены на рис. 3.2.

Эквивалентная схема варикапа приведена на рис. 3.3, где C б - барьерная емкость, R ш - сопротивление перехода и шунтирующих его утечек, обусловленных конструкцией варикапа, R п - сопротивление материала полупроводника, p-n-области и контакта. Полное сопротивление варикапа определяется выражением

Добротность варикапа в области низких частот в соответствии с (3.4) можно определить по формуле

из которой следует, что она растет с ростом частоты.

На высоких частотах при выполнении условия C б R ш >>1 сопротивлением R н можно пренебречь и тогда добротность варикапа зависит от частоты по формуле

т. е. она уменьшается с ростом частоты.

Отсюда следует, что добротность варикапа имеет максимум, который соответствует частоте

при этом максимальную добротность можно найти по формуле

На рис. 3.3 б приведены зависимости добротности Q от частоты для варикапов, изготовленных из кремния и арсенида галлия. Из графиков видно, что для варикапов из арсенида галлия оптимальная частота составляет ~ 1 кГц, в то время как для кремниевых варикапов она почти достигает 1 МГц.

Варикапы находят применение в различных электронных схемах: модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настройкой, параметрических усилителях и генераторах и др. На рис. 3.4 показана схема резонансного контура с электронной перестройкой при помощи постоянного напряжения U п. Напряжение перестройки подается в среднюю точку двух встречно последовательно включенных варикапов VD1 и VD2 через дополнительный резистор R д. Такое включение варикапов позволяет увеличить крутиз ну перестройки и устраняет необходимость применения разделительного конденсатора. Специально для таких схем промышленностью выпускаются сдвоенные варикапы типов КВС111 или КВС120.

Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n-перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис. 3.5 а показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис. 3.5 б приведены их вольт-амперные характеристики.

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис. 3.56 штриховой линией показано перемещение вольт-амперных характеристик при увеличении температуры. Очевидно, что повышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при U cт > 5B и уменьшает его при U cт < 5 В. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5 В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U cт < 5В - отрицательный. При U cт =6...5B ТКН близок к нулю.

Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжение на диоде. Такие приборы в отличие от стабилитронов называют стабисторами. В области прямого смещения p-n-перехода напряжение на нем имеет значение 0,7...2В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление. В отличие от стабилитронов при увеличении температуры напряжение на стабисторе уменьшается, так как прямое напряжение на диоде имеет отрицательный ТКН. Схема включения стабилитрона приведена на рис. 3.6 а, а стабистора - на рис. 3.6 б.

Приведенный выше характер температурной зависимости напряжения стабилитронов обусловлен различным видом пробоя в них. В широких переходах при напряженности поля в них до 5*10 4 B/см имеет место лавинный пробой. Такой пробой при напряжении на переходе > 6В имеет положительный температурный коэффициент.

В узких переходах при большой напряженности электрического поля (более 1,4*10 6 В) наблюдается пробой, который называется зенеровским . Такой пробой имеет место при низком напряжении на переходе (менее 5В) и характеризуется отрицательным температурным коэффициентом. При напряжении на переходе от 5 до 6В одновременно существуют оба вида пробоя, поэтому температурный коэффициент близок к нулю. График зависимости температурного коэффициента TKH ст от напряжения стабилизации U ст приведен на рис. 3.7.

Основными параметрами стабилитронов являются:

Напряжение стабилизации U ст;

Температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН ст;

Допустимый ток через стабилитрон I ст.доп

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r ст.

Кроме того, для импульсных стабилитронов нормируется время включения стабилитрона t вкл,а для двухсторонних стабилитронов нормируется несимметричность напряжений стабилизации U ст = U ст1 – U ст2 .

Дифференциальное сопротивление стабилитрона - это параметр, который характеризует наклон вольт-амперной характеристики в области пробоя. На рис. 3.8 а приведена линеаризованная характеристика стабилитрона, с помощью которой можно определить его дифференциальное сопротивление и построить схему замещения, приведенную на рис. 3.8 б.

И
спользуя приведенную на рис. 3.8 б схему замещения, можно рассчитать простейший стабилизатор напряжения, изображенный на рис. 3.9 а. Заменяя стабилитрон его схемой замещения, получим расчетную схему, изображенную на рис. 3.9 б. Для этой схемы можно написать систему уравнений

В результате решения системы уравнений (3.9) получим напряжение на выходе стабилизатора

Подставив значение I н, получим окончательно

Из выражения (3.11) следует, что выходное напряжение стабилизатора зависит от напряжения на входе стабилизатора U вх, сопротивлений нагрузки I н и ограничения тока R г, а также параметров стабилитрона U ст и r ст.

Условное обозначение стабилитрона включает: материал полупроводника (К - кремний); обозначение подкласса стабилитронов (букву С); цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС168А соответствует маломощному стабилитрону (ток менее 0,3 А) с напряжением стабилизации 6,8В, в металлическом корпусе.

Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для ограничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов от повышения напряжения на них.

Туннельные диоды . Туннельный эффект заключается в туннельном прохождении тока через p-n-переход. При этом ток начинает проходить через переход при напряжении, значительно меньшем контактной разности потенциалов. Достигается туннельный эффект созданием очень тонкого обедненного слоя, который в туннельном диоде достигает 0,01 мкм. При таком тонком обедненном слое в нем даже при напряжении 0,6...0,7 В напряженность поля достигает (5...7)*10 5 В/см. При этом через такой узкий p-n-переход протекает значительный ток.

Этот ток проходит в обоих направлениях, только в области прямого смещения ток вначале растет, а достигнув значения I max , при напряжении U 1 , затем довольно резко убывает до I min при напряжении U 2 . Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U 2 число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает.

При дальнейшем повышении напряжения выше U 2 прохождение прямого тока такое же, как у обычного диода, и определяется диффузией.

Ввиду очень малой толщины слоя p-n-перехода время перехода через него очень мало (до 10 13 – 10 14 с), поэтому туннельный диод - практически безынерционный прибор. В обычных же диодах электроны проходят через переход благодаря диффузии, т.е. очень медленно. Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 3.10 а, а его схематическое изображение - на рис. 3.10 б.

На вольт-амперной характеристике туннельного диода можно выделить три основных участка: начальный участок роста тока от точки 0 до I max , участок спада тока от I max до I min и участок дальнейшего роста тока от I min . Очевидно, что спадающий участок, на котором положительному приращению напряжения U > 0 соответствует отрицательное приращение тока I, имеет отрицательное сопротивление (или отрицательную проводимость -G).

Схема замещения туннельного диода в выбранной рабочей точке на участке отрицательного сопротивления для малого сигнала имеет вид, приведенный на рис. 3.10 в. На этой схеме С - общая емкость диода в точке минимума вольт амперной характеристики, -G - отрицательная проводимость на падающем участке, r н - последовательное сопротивление потерь, L - индуктивность выводов.

Схема генератора на туннельном диоде приведена на рис. 3.11 а. В этой схеме туннельный триод ТД включается последовательно с нагрузкой и источником постоянного напряжения Е. Для возникновения колебаний в этой схеме необходимо выполнить два условия. Первое условие состоит в том, чтобы напряжение источника Е обеспечивало нахождение рабочей точки ТД на участке отрицательного сопротивления (падающем участке). Второе условие заключается в том, чтобы отрицательное сопротивление ТД было больше положительного сопротивления нагрузки R H (т.е. 1/G > R H).

На рис. 3.11 б показано, как нужно выбирать напряжение источника питания Е при заданном сопротивлении нагрузки R H . На осях вольт-амперной характеристики ТД откладываются две точки. На оси напряжения откладывается напряжение источника питания Е, что соотвествует напряжению на диоде при закороченной нагрузке R H , а на оси тока откладывается ток E/R H , что соответствует закороченному ТД. Эти две точки соединяются прямой линией, которая называется нагрузочной. Пересечение линии нагрузки R H с вольт-амперной характеристикой ТД соответствует их одинаковому току (что необходимо при последовательном их соединении) и определяет положение рабочей точки.

Как видно из рис. 3.11 б, рабочая точка на падающем участке может быть обеспечена двумя способами проведения нагрузочной линии. Нагрузочная линия 1, проведенная через точки Е 1 и E 1 /R H2 пересекает вольт-амперную характеристику ТД в трех точках А, В и С. Очевидно, что при подключении питания к схеме первой будет рабочая точка А, в которой сопротивление ТД положительное и, следовательно, генерации не будет.

Нагрузочная линия 2, проведенная между точками Е 2 , и E 2 / R H3 , пересекает вольт-амперную характеристику ТД только в одной точке В. Такой выбор напряжения питания Е 2 и нагрузки R H3 обеспечивает возможность возникновения колебаний в схеме. Для определения допустимого сопротивления нагрузки найдем отрицательное сопротивление ТД. Для этого определим полное сопротивление ТД, пользуясь его схемой замещения (рис. 3.10 в).

Полупроводниковым 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 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.

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).

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (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 ф 5 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).

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.

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.

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 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).

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 так, как это показано на рис. 1.9. Это так называемое прямое включение p — n -перехода. В результате потенциальный барьер уменьшится на величину u (рис. 1.10), дрейфовый поток уменьшится, p — n -переход перейдет в неравновесное состояние, и через него будет протекать так называемый прямой ток.

Подключим к p-n-переходу источник так, как это показано на рис. 1.11. Это так называемое обратное включение p-n -перехода. Теперь потенциальный барьер увеличится на u (рис. 1.12). В рассматриваемом случае через p-n-переход будет очень мал. Это так называемый обратный , который обеспечивается термогенерацией электронов и дырок в областях, прилегающих к области p-n-перехода.

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 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 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.

Обозначим через f функцию, описывающую зависимость Q от u . В соответствии с изложенным

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 С 6ар p-n-перехода, причем по определению С 6ар = | dQ / du | Изобразим графики для Q (рис. 1.20) и C бар (рис. 1.21).

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

Если внешнего источника 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).

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 u , а как функцию тока i p-n-перехода.

Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.23, а). В свою очередь i экспоненциально зависит от 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 С диф прямо пропорциональна току i (рис.1.23,6):

Cдиф=i·τ/φт 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 С пер равна сумме рассмотренных емкостей, т. е. С пер = С бар + С диф.

При обратном смещении перехода (u < 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно С бар < С диф.

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 A м, а для полупроводника - через A п. Разделив работы выхода на заряд электрона q, получим соответствующие потенциалы:

φ m =A m /q,φ n =A n /q

Введем в рассмотрение так называемую контактную разность потенциалов φ mn :φ mn =φ m -φ n

Для определенности обратимся к контакту металл-полупроводник n-типа. Для получения невыпрямляющего контакта необходимо выполнение условия φ mn < 0. Изобразим соответствующие зонные диаграммы для неконтактирующих металла и полупроводника (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 φмп> 0

Контакт двух полупроводников n- и p- типов называют p-n-переходом или n-p –переходом. В результате контакта между полупроводниками начинается диффузия. Некоторая часть электронов переходит к дыркам, а некоторая часть дырок переходит на сторону электронов.

В результате чего полупроводники заряжаются: n- положительно, а p – отрицательно. После того, как электрическое поле, которое будет возникать в зоне перехода, начнет препятствовать перемещению электронов и дырок, диффузия прекратится.

При подключении pn-перехода в прямом направлении он будет пропускать через себя ток. Если же подключить pn-переход в обратном направлении, то он не будет практически пропускать ток.

На следующем графике показаны вольт-амперные характеристики прямого и обратного подключения pn-перехода.

Изготовление полупроводникового диода

Сплошной линией нарисована вольт-амперная характеристика прямого подключения pn-перехода, а пунктирной – обратного подключения.
Из графика видно, что pn-переход по отношению к току несимметричен, так как в прямом направлении сопротивление перехода намного меньше, чем в обратном.

Свойства pn-перехода широко используются для выпрямления электрического тока. Для этого на основе pn-перехода изготавливают полупроводниковый диод.

Обычно для изготовления полупроводниковых диодов используют германий, кремний, селен и ряд других веществ. Рассмотрим подробнее процесс создания pn-перехода, используя германий с полупроводимостью n-типа.

Такой переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников с разными типами проводимости. Это невозможно,потому что при этом между полупроводниками получается слишком большой зазор.

А нам необходимо, чтобы толщина pn-перехода должна быть не больше межатомных расстояний. Во избежание этого, в одну из поверхностей образца вплавляют индий.

Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью p-типа, в котором содержатся атомы индия, нагревают до высокой температуры. Пары примесей n-типа осаждаются на поверхности кристалла. Далее вследствие диффузии они внедряются в сам кристалл.

На поверхности кристалла, у которого проводимость p-типа, образуется область с проводимостью n-типа. На следующем рисунке схематично показано как это выглядит.

Для того, чтобы исключить воздействие воздуха и света на кристалл, его помещают в герметичный металлический корпус. На принципиальных электрических схемах, диод обозначают с помощью следующего специального значка.

Полупроводниковые выпрямители обладают очень высокой надежностью и долгим сроком службы. Основным их недостатком является то, что они могут работать лишь в небольшом интервале температур: от -70 до 125 градусов.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод - элемент электрической цепи, имеющий два вывода и обладающий односторонней электропроводностью . Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n -перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенид-галлиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Работа диодов основана на использовании электронно-дырочного перехода – тонкого слоя материала между двумя областями разного типа электропроводности - n и p . Основное свойство этого перехода – несимметричная электропроводность, при которой кристалл пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис.1.1,а. Одна часть его легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (n -область); другая, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (p -область). Концентрации носителей в областях резко отличаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Рис.1.1. p-n переход:

а – устройство, б – объёмные заряды

Электроны в n -области стремятся проникнуть в p -область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из p -области перемещаются в n -область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие, и при замыкании p - и n -областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объёмного заряда в переходе приведено на рис.1.1,б. При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Е соб. , направление которого показано на рис.1.1,а. Напряжённость его максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объёмного заряда. А далее полупроводник – нейтрален.

Высота потенциального барьера на p-n переходе определяется контактной разностью потенциалов n - и p -областей, которая, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в них:

, (1.1)

где - тепловой потенциал, N n и P p – концентрации электронов и дырок в n - и p -областях, n i – концентрация носителей зарядов в нелигированном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6…0,7В, а для кремния – 0,9…1,2В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к p-n переходу. Если поле внешнего напряжения совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается; при обратной полярности приложенного напряжения высота барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Отсюда, если внешнее напряжение снижает потенциальный барьер, оно называется прямым, а если повышает его – обратным.

Условное обозначение и вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального диода представлены на рис.1.2.

Тот вывод, на который нужно подать положительный потенциал, называется анодом, вывод с отрицательным потенциалом называется катодом (рис.1.2,а). Идеальный диод в проводящем направлении имеет нулевое сопротивление. В непроводящем направлении - бесконечно большое сопротивление (рис.1.2,б).

Рис.1.2.Условное обозначение (а) и ВАХ

характеристика идеального диода (б)

В полупроводниках р -типа основны­ми носителями являются дырки. Дыроч­ная электропроводность создана путем внесения атомов акцепторной примеси. Их валентность на единицу меньше, чем у атомов полупроводника. При этом атомы примеси захватывают электроны полупроводника и создают дырки - подвижные носители заряда.

В полупроводниках n -типа основными носителями являются электроны. Электронная электропроводность создается путем внесения атомов донорной примеси. Их валентность на единицу больше, чем у атомов полупроводника. Образуя ковалентные связи с атомами полупроводника, атомы примеси не используют 1 электрон, который становится свободным. Сами атомы становятся неподвижными положительными ионами.

Если к внешним выводам диода подключить источник напряжения в прямом направлении, то этот источник напряжения создаст в р-n переходе электрическое поле, направленное навстречу внутреннему. Результирующее поле будет уменьшаться. При этом пойдет процесс диффузии. В цепи диода потечет прямой ток. Чем больше величина внешнего напряжения, тем меньше величина внутреннего поля, тем уже запирающий слой, тем больше величина прямого тока. С ростом внешнего напряжения прямой ток возрастает по экспоненциальному закону (рис.1.3). При достижении некоторой величины внешнего напряжения ширина запирающего слоя снизится до нуля. Прямой ток будет ограничен только объемным сопротивлением и будет возрастать линейно при увеличении напряжения.

Рис.1.3. ВАХ реального диода

При этом падение напряжения на диоде - прямое падение напряжения. Его величина невелика и зависит от материала:

германий Ge : U пр = (0,3 - 0,4) В;

кремний Si : U пр =(0,6 - 1) В.

Если поменять полярность внешнего напряжения, то электрическое поле этого источника будет совпадать с внутренним. Результирующее поле увеличится, ширина запирающего слоя увеличится, и ток в идеальном случае в обратном направлении протекать не будет; но так как полупроводники не идеальные и в них кроме основных подвижных носителей есть незначительное количество неосновных, то, как следствие, возникает обратный ток. Его величина зависит от концентрации неосновных носителей и обычно составляет единицы -десятки микроампер.

Концентрация неосновных носителей меньше концентрации основных, поэтому обратный ток мал. Величина этого тока не зависит от величины обратного напряжения. У кремния обратный ток на несколько порядков меньше, чем у германия, но у кремниевых диодов выше прямое падение напряжения. Концентрация неосновных носителей зависит от температуры и при ее увеличении растет обратный ток, поэтому его называют тепловой ток I o:

I o (T)=I o (T o)e a D Т ,

DT=T-T o ; а Ge =0.09к -1 ; а Si =0.13к -1 ; I oGe >>I oSi . .

Есть приблизительная формула

I o (T)=I o (T o)2 T * ,

где Т * - приращение температуры, которому соответствует удвоение теплового тока,

Т * Ge =8...10 o C; T * Si =6 o C.

Аналитическое выражение для ВАХ р-п перехода имеет вид:

, (1.2)

где U - приложенное внешнее напряжение.

Для температуры 20 о С φ т =0.025В.

С увеличением температуры за счет роста теплового тока и снижения потенциального барьера, уменьшения сопротивления полупроводниковых слоев происходит смещение прямой ветви ВАХ в области больших токов. Уменьшается объемное сопротивление полупроводников n и р . В результате прямое падение напряжения будет меньше. С ростом температуры за счет уменьшения разницы между концентрацией основных и неосновных носителей уменьшается потенциальный барьер запирающего слоя, что приведет также к уменьшению U пр , т. к. запирающий слой исчезнет при меньшем напряжении.

Одному и тому же току будут соответствовать разные прямые напряжения (рис.1.4), образуя разность DU,

где e -температурный коэффициент напряжения.

Если ток через диод постоянен, то уменьшится падение напряжения на диоде. При увеличении температуры на один градус прямое падение напряжения уменьшается на 2 мВ.

Рис. 1.4. ВАХ р-п перехода при Рис. 1.5. ВАХ германиевого и

различных температурах кремниевого диодов

С ростом температуры обратная ветвь вольтамперной характеристики смещается вниз (рис.1.4). Рабочий диапазон температуры для германиевых диодов 80 о С, для кремниевых диодов 150 о С.

ВАХ германиевых и кремниевых диодов приведены на рис.1.5.

Дифференциальное сопротивление р-п перехода (рис.1.6):

(1.3)

С ростом величины тока r д - уменьшается.

Рис.1.6.Определение дифференциального

сопротивления диода

Сопротивление постоянному току р-п перехода: .

Сопротивление постоянному току характеризуется коэффициентом угла наклона прямой, проведенной из начала координат в данную точку. Сопротивление это также зависит от величины тока: с ростом I сопротивление падает. R Ge < R Si .

ВАХ полупроводникового диода несколько отличается от ВАХ идеального диода. Так за счет утечки тока по поверхности кристалла реальный обратный ток будет больше теплового тока. Соответственно обратное сопротивление у реального диода меньше, чем у идеального р-п перехода.

Прямое падение напряжения больше, чем у идеального р-п перехода. Это происходит за счет падения напряжения на слоях полупроводника р и п типа. Причем, у реальных диодов один из слоев р или п имеет большую концентрацию основных носителей, чем другой. Слой с большой концентрацией основных носителей называют эмиттером, он имеет незначительное сопротивление. Слой с меньшей концентрацией основных носителей называют базой. Он имеет довольно существенное сопротивление.

Увеличение прямого падения напряжения происходит за счет падения напряжения на сопротивлении базы.

Для расчета электронных схем, содержащих полупроводниковые диоды, возникает необходимость представления их в виде схем замещения. Схема замещения полупроводникового диода при кусочно-линейной аппроксимации его ВАХ изображена на рис.1.7. На рис.1.8 представлены схемы замещения с использованием ВАХ идеального диода и ВАХ идеального p-n перехода (r д – сопротивление диода, r у –сопротивление утечки диода).

Рис.1.7. Аппроксимация ВАХ диода

линейными отрезками

Рис.1.8. Замещение диодов использованием ВАХ

идеального диода (а) и ВАХ идеального p-n перехода (б)

Работа диода в цепи с нагрузкой. Рассмотрим простейшую цепь с диодом и резистором, и действие на входе ее разнополярного напряжения (рис.1.9). Картина распределения напряжений на элементах схемы определяется положением линий нагрузки (рис.1.10) - на графике ВАХ диода по оси напряжения в обе стороны откладываются две точки, определяемые +U m и –U m питающего напряжения, что соответствует напряжению на диоде при закороченной нагрузке R н , а на оси тока в обе стороны откладываются токи U m /R н и - U m /R н , что соответствует закороченному диоду. Эти две точки попарно соединяются прямыми линиями, которые называются нагрузочными. Пересечения линий нагрузки R н в первом и третьем квадрантах с ветвями

ВАХ диода для каждой фазы питающего напряжения соответствуют

Рис. 1.9. Цепь с диодом и Рис. 1.10. ВАХ диода с нагрузочной

нагрузкой прямой

их одинаковым токам (что необходимо при последовательном их соединении) и определяют положение рабочих точек.

Положительная полуволна U>0, U=U m .

Данная полярность является прямой для диода. Ток и напряжение всегда будут удовлетворять ВАХ:

,

кроме того:

U д =U m - I д R H ;

при I д =0, U д =U m ;

при U д =0, I д =U m /R H ;

при прямом включении U m >>U пр (рис. 1.10).

При практическом применении U пр >0 (U пр - прямое напряжение), когда диод открыт. При работе диода в прямом направлении напряжение на нем минимальное - (Ge -0,4 B; Si -0,7 B), и его можно считать приблизительно равным нулю. Ток при этом будет максимальным.

Рис.1.11. Сигналы напряжений и тока в цепи диода с нагрузкой

.

Отрицательная полуволна U<0, U= -U m .

Характеристика диода та же, но

U д = -U m -I д R H ,;

I д =0, U д =U m ;

U д =0, I д =U m /R H ; U H <

Емкости р-п перехода. При включении р-п перехода в обратном направлении, а также при небольших прямых напряжениях в области р-п перехода существует двойной электрический слой: в р области - отрицательный, в п области - положительный.

Накопление в этом слое некомпенсированного заряда приводит к возникновению емкости р-п перехода, которая называется барьерной емкостью. Она характеризует изменение накопленного заряда при изменении внешнего напряжения по рис.1.12. С б =dQ/ dU .

Рис. 1.12. Зависимость барьерной емкости

от обратного напряжения.

Барьерная емкость зависит от геометри­ческих размеров р-п перехода. С увеличением U обр ширина р-п перехода возрастает, а емкость уменьшается.

При включении диода в прямом направлении барьерная ёмкость практически исчезает, а в базовом слое диода происходит накопление перешедших из эмиттера неосновных носителей. Это накопление заряда создает также эффект емкости, которую называют диффузионной. С д обычно превышает С б .

Диффузионная емкость определяется С д =dQ д /dU .

Эти емкости сказываются при работе диодов на высоких частотах. Емкости р-п перехода включают в схему замещения (рис.1.13).

Рис. 1.13. Схемы замещения диода с учетом емкостей:

а – барьерная ёмкость; б – диффузионная ёмкость

Переходные процессы в диодах. При работе диодов с сигналами высоких частот (1-10 МГц) процесс перехода из непроводящего состояния в проводящее и наоборот происходит не мгновенно за счет наличия емкости в переходе, за счет накопления зарядов в базе диода.

На рис.1.14 приведены временные диаграммы изменения токов через диод и нагрузку при прямоугольных импульсах питающего напряжения. Ёмкости в цепи диода искажают передний и задний фронты импульсов, вызывают появление времени рас­сасывания t p .

При выборе диода для конкретной схе­мы надо учитывать его частотные свойства и быстродействие.

Рис. 1.14. Переходные процессы при

переключении диода:

t ф1 - длительность переднего фронта перехода;

t ф2 - длительность заднего фронта;

t p - время рассасывания.

Пробой р-п перехода. Обратное напря­жение диода не может возрастать до сколь угодной величины. При некотором обрат­ном напряжении, характерном для каждого типа диода, происходит резкое возрастание обратного тока. Этот эффект называют пробоем перехода. Различают несколько видов пробоя (рис.1.15):

1- лавинный пробой, когда увеличение обратного тока происходит за счет лавинного размножения не ос­нов­­­ных носителей;

Рис. 1.15. ВАХ при различных видах пробоя

2- туннельный пробой, когда прео-доление потенциального барьера и запирающего слоя происходит за счет туннельного эффекта.

При лавинном и туннельном пробоях растет обратный ток при неизменном обратном напряжении.

Это электрические пробои. Они являются обратимыми. После снятия U обр диод восстанавливает свои свойства.

3- тепловой пробой, он происходит в том случае, когда количество тепла, выделившегося в р-п переходе, больше количества тепла, отдаваемого поверхностью диода в окружающую среду. При этом с увеличением температуры р-п перехода растет концентрация неосновных носителей, что приводит к еще большему росту обратного тока, который, в свою очередь, ведет к увеличению температуры и т.д. Так как для диодов, изготовленных на основе германия, I обр больше, чем для диодов на основе кремния, то для первых вероятность теплового пробоя выше, чем для вторых. Поэтому максимальная рабочая температура для кремниевых диодов выше (150 о …200 о С), чем для германиевых (75 о …90 о С).

При этом пробое р-п переход разрушается.

Контрольные вопросы.

1. Что такое полупроводниковый диод? Вольтамперная характеристика идеального и реального диода?

2. Какие материалы используются для изготовления полупроводниковых диодов? Как создавать в полупроводниковой подложке области того или иного типа проводимости?

3. Что такое собственное электрическое поле в кристалле на границе p-n- перехода? Как оно видоизменяется при подаче внешнего напряжения?

4. Чем объясняется эффект односторонней проводимости p-n- перехода в полупроводнике?

5. Вольтамперные характеристики p-n -переходов для германиевых и кремниевых диодов при изменении внешней температуры?

6. Как определяется дифференциальное сопротивление диода?

7. Как строятся вольтамперные характеристики диода с нагрузочной прямой?

8. Объясните механизм формирования барьерной и диффузионной ёмкостей диода? Как они сказываются при работе диода в цепях переменного тока?

Лекция 2.Специальные типы

В настоящее время для изготовления переходов в арсениде галлия используют три основные группы методов: диффузию, эпитаксию из газовой фазы и эпитаксию из жидкой фазы. Применявшийся ранее в полупроводниковой технике метод вплавления теперь не используется в технологии ПКГ, поскольку он не дает резного и плоского электронно-дырочного перехода и потому непригоден для изготовления лазерных диодов. Поэтому сейчас основными методами изготовления диодов ПКГ являются методы диффузии и эпитаксии.

8.3.1. Метод диффузии

Теория диффузии основана на предположении, что атомы примеси не взаимодействуют друг с другом в процессе диффузии, и скорость диффузии не зависит от их концентрации. На основании этого предположения выведены фундаментальные уравнения диффузии - законы Фика. Первый закон Фика определяет диффузионный поток как величину, пропорциональную градиенту концентрации (в изотермических условиях при одномерной диффузии)

где - концентрация диффундирующих атомов; х - координата расстояния; коэффициент диффузии.

Второй закон Фика определяет скорость диффузии

Исходя из этих законов, можно найти распределение концентрации примеси в полуограниченном образце. Для случая, когда исходная концентрация в объеме кристалла близка к нулю, а поверхностная концентрация составляет и остается постоянной, концентрация примеси через время х на глубине х равна

Если же диффузия происходит из тонкого слоя толщиной с концентрацией примеси на единицу

поверхности то распределение примеси выражается уравнением

Определение концентрационных профилей распределения примеси в образце производят либо методом радиоактивных индикаторов, либо зондовым методом измерения «растекания сопротивления» по косому срезу образца.

Зависимость коэффициента диффузии от температуры имеет вид

Однако эта зависимость не всегда выдерживается в бинарных полупроводниках ввиду отклонений от закона Фика, поскольку примесь взаимодействует с одним из компонентов соединения или с вакансиями, образующимися вследствие испарения летучего компонента при диссоциации соединения. Иногда в результате взаимодействия примеси с компонентами соединения образуются новые соединения, более устойчивые, чем исходный бинарный полупроводник. В соединениях типа диффузия происходит посредством движения атомов по узлам подрешетки элементов III и V групп. Энергия активации диффузии при этом зависит от типа подрешетки, по узлам которой происходит диффузия. Однако этот механизм не единственный; возможна, например, диффузия примеси по междоузлиям. Диффузия различных примесей в бинарные полупроводники рассмотрена в обзорах . Данные по диффузии примесей в арсенид галлия приведены в табл. 8.3.

Изготовление переходов методом диффузии можно производить посредством диффузии как доноров в арсенид галлия -типа, так и акцепторов в материал -типа. Поскольку диффузия доноров происходит очень медленно, то обычно производят диффузию акцепторов. Самыми распространенными легирующими примесями, используемыми для изготовления инжекционных являются акцептор - цинк и донор - теллур. Промышленность выпускает монокристаллы арсенида галлия, предназначенные для производства ПКГ, легированные теллуром до концентраций Эти

(кликните для просмотра скана)

концентрации, как было показано выше, и являются оптимальными. Электронно-дырочный переход в пластинах, вырезанных из этих монокристаллов, производят диффузией цинка, которая позволяет при не слишком высоких температурах достаточно быстро изготавливать переход на любой желаемой глубине.

Поступающие на диффузию пластины арсенида галлия должны быть специально подготовлены. Прежде всего, рентгеновским способом выявляют у кристалла плоскость с индексом (100). Затем кристалл разрезают на пластины параллельно этой кристаллографической плоскости. Выбор плоскости определяется следующими соображениями. Кристаллы соединений легко скалываются по плоскости (110). В кубической структуре сфалерита, характерной для этих соединений, имеется три плоскости (110), перпендикулярные плоскости (111), и две перпендикулярные (100). Если выбирается плоскость (111), то могут быть изготовлены треугольные диоды ПКГ.

Диоды с типичными резонаторами Фабри-Перо легко изготавливаются из пластин, вырезаных параллельно плоскости (100) простым двукратным сколом вдоль (110). Эти плоскости резонатора должны быть строго перпендикулярны будущему переходу, поскольку толщина активного слоя диода составляет всего лишь 1-2 мкм. Следовательно, ничтожные отклонения плоскости резонатора могут привести к выходу излучения из активной области. Для того чтобы выполнить это требование, одну сторону пластины сошлифовывают порошком с размером зерен 5 мкм перпендикулярно сколотым плоскостям еще до проведения диффузии. Шлифованную поверхность пластины полируют вручную на стекле полировочным порошком (с размером зерен сначала 1 мкм, а затем 0,3 мкм). Иногда еще применяют химическое полирование.

Процесс диффузии цинка в полированную пластину арсенида галлия проводят либо в закрытом объеме (в запаянной ампуле), либо в проточной системе. Чаще, однако, используют закрытую систему. Для этого ампулу предварительно откачивают до остаточного давления около мм рт. ст. В качестве источника цинка берут либо элементарный цинк, либо его соединения Последнее соединение представляет собой смесьтвердых фаз соотношение

которых выбирают в зависимости от температурных условий диффузии. Если в качестве источника примеси применяют элементарный цинк, то в ампулу помещают и элементарный мышьяк в соотношении или Как будет показано ниже, давление мышьяка в ампуле имеет большое значение в этом процессе.

Существуют три варианта диффузионных процессов, применяемых в технологии для образования переходов.

1. Одноэтапная диффузия цинка в атмосфере мышьяка в пластину (100) или (111) проводится при температуре в течение Цинк и мышьяк загружают в ампулу в соотношении общая концентрация их в газовой фазе должна составлять По окончании процесса ампулу резко охлаждают водой. Продолжительность процесса выбирают в зависимости от желаемой глубины залегания перехода.

В результате трехчасовой диффузии в этих условиях переход образуется на глубине около 20 мкм.

2. Диффузия цинка с последующим отжигом в атмосфере мышьяка. Процесс диффузии аналогичен описанному выше, но по окончании процесса диффузии пластину помещают в другую ампулу, куда также помещают мышьяк в количестве Ампулу с загрузкой откачивают до мм рт. ст. и выдерживают в печи при температуре 900 °С в течение Отжиг способствует расширению компенсированной области, выравниванию активного слоя перехода, созданию плавного, нерезкого перехода. Оптимальными условиями являются следующие: I этап (диффузия) - температура концентрация цинка соотношение продолжительность I этапа II этап (отжиг) - температура 900 или - концентрация мышьяка продолжительность II этапа Глубина диффузии в этих условиях составляет около 8 мкм.

3. Трехэтапная диффузия. К описанному выше двухэтапному процессу диффузии добавляют третий этап - неглубокую диффузию цинка с образованием слоя

По окончании процесса диффузии и охлаждения ампулы пластину арсенида галлия вынимают и скалывают ее край для выявления перехода, определения глубины его залегания и визуального наблюдения его характеристик: ровности, ширины и др. Для того чтобы

сделать переход отчетливо видимым, скол подвергают травлению в растворе или Каплю раствора наносят на сколотую поверхность и выдерживают в течение 15 - 30 с, после чего пластину споласкивают дистиллированной водой. На травленой поверхности могут быть замечены две линии: нижняя линия определяет границу перехода, а верхняя - место, где начинается вырождение материала -типа.

Механизм диффузии цинка в арсенид галлия. Распределение концентрации цинка в арсениде галлия в результате диффузии носит аномальный характер. Для диффузии цинка при температурах ниже может быть описано гауссовой функцией ошибок, т. е. уравнениями (8.4) и (8.5); при этом величины коэффициентов диффузии могут быть вычислены с учетом параметров, приведенных в табл. 8.3. Для температур диффузии выше 800 °С распределение цинка в арсениде галлия не подчиняется этой классической закономерности. Типичные примеры аномального распределения цинка показаны на рис.

8.13 для диффузии при температуре в течение

Аномальные явления, при диффузии цинка в арсенид галлия являются предметом многочисленных исследований. Замечены следующие факты.

Рис. 8.13. Профили распределения концентрации цинка в пластине арсеиида галлия для различных поверхностных концентраций при температуре диффузии и продолжительности около

При температурах диффузии выше коэффициент диффузии цинка сильно зависит от концентрации мышьяка, а растворимость цинка в арсениде галлия повышается даже на три порядка (с 1017 до Наличие дефектов, несовершенств структуры, дислокаций ускоряет диффузию и ухудшает плоскостность перехода. Особого внимания заслуживают исследования диффузии в изоконцентрационных условиях, т. е. при отсутствии градиента концентрации цинка на образце.

Атомы цинка могут находиться в арсениде галлия либо на местах галлия либо в междоузлиях Следовательно, диффузия цинка может происходить по галлиевым вакансиям и по междоузлиям. Закон Фика для такого двойного механизма диффузии может быть выражен уравнением

где и - коэффициенты диффузии цинка по междоузлиям и по механизму замещения галлия.

Это уравнение можно упростить, введя эффективный коэффициент диффузии:

Результаты изоконцентрационной диффузии показывают, что при высоких концентрациях цинка преобладает диффузия по междоузлиям, т. е.

Следовательно, и изоконцентрационная диффузия может быть описана уравнением (8.4). Коэффициент изоконцентрационной диффузии может быть вычислен на основе анализа концентрации атомов междоузельного цинка и вакансий галлия. Сильная зависимость его от концентрации цинка показана на рис. 8.14.

Рис. 8.14, Зависимость коэффициента диффузии цинка в арсениде галлия от концентрации цинка.

Однако в реальных технологических условиях при высоких температурах поверхностная концентрация цинка на арсениде галлия достигала незначительно превышала плотность паров цинка в ампуле. При отсутствии давления мышьяка в ампуле распределение цинка в образце невоспроизводимо искажалось, и

Переход получался неровным, особенно при низких концентрациях цинка. Введение в ампулу мышьяка существенно исправляло положение. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации цинка значительно уменьшалась, диффузия протекала более закономерно, переход получался ровным.

Следует обратить внимание на тот факт, что аномальные явления в диффузии цинка возникают при температурах выше температуры начала разложения арсенида галлия Поэтому в ампуле должно быть создано давление мышьяка, по крайней мере равное давлению диссоциации арсенида галлия при данной температуре. Кроме того, поскольку цинк образует с мышьяком два конгруэнтно плавящихся соединения: то можно ожидать образования их как на источнике цинка, так и на поверхности арсенида галлия. Эти процессы, как и диссоциация арсенида галлия, могут привести к выделению жидкого галлия и образованию галлиевых растворов цинка и арсенида галлия, вследствие чего возникают локальные поверхностные нарушения, в дальнейшем искажающие диффузионный профиль и переход. Чтобы устранить эти поверхностные нарушения и приблизить диффузию к изоконцентрационному режиму, иногда проводят диффузию цинка через пленку нанесенную на арсенид галлия, или же из пленки легированной цинком.

Условия достижения воспроизводимой диффузии цинка в арсенид галлия могут быть определены н? основании рассмотрения фазовых диаграмм равновесия галлий-мышьяк-цинк (рис. 8.15).

Если в качестве диффузанта используется только элементарный цинк, то будет происходить перенос мышьяка из арсенида галлия на источник цинка до образования равновесных фаз арсенидов цинка на обеих поверхностях. Естественно, это приведет к выделению жидкого галлия, нарушению поверхности пластины и искажению фронта диффузии.

Если источником являются цинк и мышьяк или арсениды цинка то все зависит от количества диффузанта, его состава и температуры. При малых количествах диффузанта (несколько ампулы) конденсированной фазы не образуется - весь цийк и мышьяк в паровой фазе. Поверхностных нарушений перехода от продолжительности диффузии и температуры выражается