Kuliah 2. Diod semikonduktor

Peralihan lubang elektron dan sifatnya. Sambungan lubang elektron ialah lapisan nipis antara dua bahagian kristal semikonduktor, di mana satu bahagian mempunyai kekonduksian elektronik dan satu lagi mempunyai kekonduksian lubang. Proses teknologi Asal-usul peralihan lubang elektron boleh berbeza: pelakuran (diod aloi), resapan satu bahan ke bahan lain (diod resapan), epitaksi - pertumbuhan berorientasikan satu kristal pada permukaan yang lain (diod epitaxial), dsb. Mengikut reka bentuk , peralihan lubang elektron boleh menjadi simetri dan tidak simetri, tajam dan licin, satah dan titik, dan lain-lain. Walau bagaimanapun, untuk semua jenis peralihan sifat utama adalah kekonduksian elektrik tidak simetri, di mana kristal melepasi arus dalam satu arah, tetapi tidak lulus. dalam yang lain.

Struktur peralihan lubang elektron ditunjukkan dalam Rajah. 2.1 a. Satu bahagian peralihan ini didopkan dengan kekotoran penderma dan mempunyai kekonduksian elektronik(N - kawasan). Bahagian lain, didopkan dengan kekotoran penerima, mempunyai kekonduksian lubang (rantau P). Kepekatan elektron dalam satu bahagian dan kepekatan lubang di bahagian lain adalah berbeza dengan ketara. Di samping itu, terdapat kepekatan kecil di kedua-dua bahagian media kecil.

Elektron dalam rantau N cenderung untuk menembusi ke dalam rantau P, di mana kepekatan elektron jauh lebih rendah. Begitu juga, lubang dari kawasan P bergerak ke kawasan N. Hasil daripada pergerakan balas cas bertentangan, arus resapan yang dipanggil timbul. Elektron dan lubang, setelah melintasi antara muka, meninggalkan cas bertentangan, yang menghalang laluan selanjutnya arus resapan. Akibatnya, keseimbangan dinamik diwujudkan di sempadan dan apabila kawasan N- dan P ditutup, tiada arus mengalir dalam litar. Taburan ketumpatan cas ruang dalam peralihan ditunjukkan dalam Rajah. 2.1 b.

Dalam kes ini, medan elektrik intrinsik E intrinsik muncul di dalam kristal pada antara muka, arah yang ditunjukkan dalam Rajah. 2.1. Kekuatan medan ini adalah maksimum pada antara muka, di mana tanda caj ruang berubah secara mendadak. Pada jarak tertentu dari antara muka, tiada cas ruang dan semikonduktor adalah neutral.

Ketinggian halangan berpotensi di persimpangan pn ditentukan oleh beza keupayaan sentuhan antara kawasan N dan P. Perbezaan potensi sentuhan, seterusnya, bergantung kepada kepekatan kekotoran di kawasan ini:

di mana  T =kT/q ialah potensi terma, N n dan P p ialah kepekatan elektron dan lubang dalam kawasan N- dan P, n i ialah kepekatan pembawa dalam semikonduktor tidak terdod.

Perbezaan potensi sentuhan untuk germanium ialah 0.6... 0.7V, dan untuk silikon - 0.9... 1.2V. Ketinggian halangan berpotensi boleh diubah dengan menggunakan voltan luaran pada persimpangan-p. Jika voltan luaran mencipta medan di persimpangan p-n yang bertepatan dengan persimpangan dalaman, maka ketinggian halangan berpotensi meningkat; dengan kekutuban terbalik voltan yang digunakan, ketinggian halangan berpotensi berkurangan. Jika voltan yang dikenakan

Sebagai tambahan kepada arus resapan, arus terus mengandungi arus pengaliran yang mengalir masuk arah bertentangan, oleh itu, jumlah arus apabila pincang ke hadapan simpang p-n akan sama dengan perbezaan antara arus resapan (2.2) dan arus pengaliran:

Persamaan (2.3) dipanggil persamaan Ebers-Moll, dan ciri voltan arus yang sepadan bagi simpang p-n ditunjukkan dalam Rajah. 2.3. Oleh kerana pada  t =ZOOK potensi terma ialah T=25mV, maka sudah pada U = 0.1 V kita boleh mengandaikan bahawa

Rintangan pembezaan simpang p-n boleh ditentukan menggunakan formula (2.3):

dari mana kita dapat

Jadi, sebagai contoh, pada arus I = 1A dan  t = 25 mV, rintangan pembezaan simpang ialah 25 m0m.

Nilai mengehadkan voltan pada simpang p-n dengan pincang ke hadapan tidak melebihi beza keupayaan sentuhan  k. Voltan songsang dihadkan oleh pecahan simpang p-n. Pecahan persimpangan pn berlaku disebabkan oleh pendaraban salji bagi pembawa minoriti dan dipanggil pecahan salji. Semasa pecahan runtuhan salji bagi simpang p-n, arus melalui simpang meningkat tanpa had pada voltan malar merentasinya, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 2.3.

Satu simpang p-n semikonduktor mempunyai kapasitansi iaitu kes am ditakrifkan sebagai nisbah kenaikan cas di persimpangan kepada kenaikan penurunan voltan merentasinya, i.e. C=dq/du. Kapasiti simpang bergantung pada nilai dan kekutuban voltan terpakai luaran. Dengan voltan terbalik merentasi simpang, kapasitansi ini dipanggil penghalang dan ditentukan oleh formula

di mana  k ialah beza keupayaan sentuhan, U ialah voltan terbalik pada simpang, C bar (0) ialah nilai kemuatan penghalang pada U = 0, yang bergantung kepada luas simpang p-n dan sifat-sifat kristal semikonduktor. Kebergantungan kapasitans penghalang pada voltan yang digunakan ditunjukkan dalam Rajah. 2.4.

Secara teorinya, kapasitans penghalang wujud pada voltan ke hadapan di persimpangan p-n, tetapi ia dihalang oleh pembezaan rintangan pembezaan yang rendah.

Apabila simpang p-n dipincang ke hadapan, kemuatan resapan mempunyai pengaruh yang lebih besar, yang bergantung kepada nilai arus hadapan I dan jangka hayat pembawa minoriti  p. Kapasiti ini tidak berkaitan dengan arus pincang, tetapi memberikan anjakan fasa yang sama antara voltan dan arus sebagai kapasiti biasa. Nilai kapasiti resapan boleh didapati daripada formula

Jumlah kapasitansi simpang di bawah pincang ke hadapan ditentukan oleh jumlah kapasitans penghalang dan resapan

Apabila persimpangan dipincang songsang, tiada kapasitansi resapan dan jumlah kapasitansi hanya terdiri daripada kapasitans penghalang.

Diod semikonduktor dipanggil peranti yang mempunyai dua output dan satu (atau beberapa) simpang p-n. Semua diod semikonduktor boleh dibahagikan kepada dua kumpulan: penerus dan khas. Diod penerus, seperti namanya, direka untuk membetulkan arus ulang alik. Bergantung kepada kekerapan dan bentuk voltan AC Mereka dibahagikan kepada frekuensi tinggi, frekuensi rendah dan nadi. Jenis khas diod semikonduktor menggunakan pelbagai sifat p-n-peralihan; fenomena kerosakan, kapasiti penghalang, kehadiran kawasan dengan rintangan negatif, dsb.

Secara struktur, diod penerus dibahagikan kepada diod planar dan titik, dan mengikut teknologi pembuatan kepada aloi, resapan dan epitaxial. Oleh kerana kawasan persimpangan pn yang luas, diod planar digunakan untuk membetulkan arus besar. Diod titik mempunyai kawasan kecil peralihan dan, dengan itu, direka untuk membetulkan arus kecil. Untuk meningkatkan voltan pecahan runtuhan salji, lajur penerus digunakan, yang terdiri daripada satu siri diod yang disambung secara bersiri.

Diod penerus kuasa tinggi dipanggil kuasa. Bahan untuk diod tersebut biasanya silikon atau galium arsenida. Germanium boleh dikatakan tidak digunakan kerana kuat pergantungan suhu arus terbalik. Diod aloi silikon digunakan untuk membetulkan arus ulang alik dengan frekuensi sehingga 5 kHz. Diod penyebaran silikon boleh beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, sehingga 100 kHz. Diod epitaxial silikon dengan substrat logam (dengan penghalang Schottky) boleh digunakan pada frekuensi sehingga 500 kHz. Diod gallium arsenide mampu beroperasi dalam julat frekuensi sehingga beberapa MHz.

Dengan arus yang besar melalui persimpangan pn, voltan yang ketara jatuh dalam sebahagian besar semikonduktor, dan ia tidak boleh diabaikan. Dengan mengambil kira ungkapan (2.4), ciri voltan semasa diod pembetulan mengambil bentuk

di mana R ialah rintangan isipadu hablur semikonduktor, yang dipanggil rintangan siri.

Penamaan grafik konvensional bagi diod semikonduktor ditunjukkan dalam Rajah. 2.5 a, dan strukturnya dalam Rajah. 2.5 b. Elektrod diod yang disambungkan ke kawasan P dipanggil anod (serupa dengan diod vakum elektrik), dan elektrod yang disambungkan ke kawasan N dipanggil katod. Ciri voltan arus statik diod ditunjukkan dalam Rajah. 2.5 in.

Diod kuasa biasanya dicirikan oleh satu set parameter statik dan dinamik. Parameter statik diod termasuk:

Penurunan voltan U np merentasi diod pada nilai arus hadapan tertentu;

Arus terbalik I putaran pada nilai voltan terbalik tertentu;

Nilai purata arus hadapan I np.cp ;

Voltan terbalik nadi U rev.i.

Parameter dinamik diod termasuk ciri masa atau frekuensinya. Parameter ini termasuk:

Voltan treverse masa pemulihan;

Masa kenaikan arus hadapan I var;

Hadkan kekerapan tanpa mengurangkan mod diod f m ax .

Parameter statik boleh ditetapkan menggunakan ciri voltan semasa diod, yang ditunjukkan dalam Rajah. 2.5 in. Nilai biasa parameter statik diod kuasa diberikan dalam jadual. 2.1.

T
jadual 2.1

Masa pemulihan terbalik diod t oc ialah parameter utama diod penerus, mencirikan sifat inersianya. Ia ditentukan apabila diod bertukar daripada arus hadapan yang diberikan I pr kepada voltan terbalik U arr yang diberikan. Graf pensuisan tersebut ditunjukkan dalam Rajah. 2.6 a. Rajah ujian yang ditunjukkan dalam Rajah. 2.6 b, ialah penerus separuh gelombang yang beroperasi pada beban rintangan R n dan dikuasakan daripada sumber voltan segi empat tepat.

Voltan pada input litar pada masa t=0 melompat nilai positif Um. Disebabkan oleh inersia proses resapan, arus dalam diod tidak muncul serta-merta, tetapi meningkat dari semasa ke semasa t ext. Bersama-sama dengan peningkatan arus dalam diod, voltan pada diod berkurangan, yang selepas t nar menjadi sama dengan U pr. Pada masa t 1, mod pegun diwujudkan dalam litar, di mana arus diod i = I n  U m / R n.

Keadaan ini dikekalkan sehingga masa t 2, apabila kekutuban voltan bekalan diterbalikkan. Walau bagaimanapun, caj yang terkumpul di sempadan simpang pn mengekalkan diod dalam keadaan terbuka untuk beberapa lama, tetapi arah arus dalam diod diterbalikkan. Pada asasnya, penyerapan cas berlaku di sempadan persimpangan p-n (iaitu, pelepasan kapasiti setara). Selepas selang masa penyerapan t perlumbaan, proses mematikan diod bermula, i.e. proses memulihkan sifat menguncinya.

Menjelang masa t 3, voltan pada diod menjadi sifar dan seterusnya memperoleh nilai yang bertentangan. Proses memulihkan sifat menyekat diod berterusan sehingga masa t 4, selepas itu diod dikunci. Pada masa ini, arus dalam diod menjadi sifar, dan voltan mencapai nilai -U m, - Oleh itu, tres masa boleh dikira dari peralihan Ud melalui sifar sehingga arus diod mencapai nilai sifar I d = 0.

Pertimbangan proses menghidupkan dan mematikan diod pembetulan menunjukkan bahawa ia bukan injap yang ideal dan, dalam keadaan tertentu, mempunyai kekonduksian arah terbalik. Masa resorpsi pembawa minoriti dalam persimpangan pn boleh ditentukan oleh formula

di mana  p ialah jangka hayat pembawa minoriti.

Masa pemulihan voltan terbalik pada diod boleh dianggarkan menggunakan ungkapan anggaran

Perlu diingatkan bahawa apabila Rn = 0 (yang sepadan dengan operasi diod pada beban kapasitif), arus terbalik melalui diod pada masa ia dimatikan boleh berkali-kali lebih tinggi daripada arus beban dalam mod pegun.

Daripada pemeriksaan graf dalam Rajah. 2.6 a ia berikutan bahawa kehilangan kuasa dalam diod meningkat dengan mendadak apabila ia dihidupkan dan, terutamanya, apabila dimatikan. Akibatnya, kerugian dalam diod meningkat dengan peningkatan kekerapan voltan diperbetulkan. Apabila diod beroperasi pada frekuensi rendah dan bentuk harmonik voltan bekalan, tiada denyutan arus amplitud tinggi dan kerugian dalam diod berkurangan secara mendadak.

Apabila suhu badan diod berubah, parameternya berubah. Pergantungan ini mesti diambil kira semasa membangunkan peralatan. Voltan ke hadapan pada diod dan arus terbalik bergantung paling kuat pada suhu. Pekali suhu voltan (TCV) pada diod mempunyai makna negatif, kerana apabila suhu meningkat, voltan merentasi diod berkurangan. Lebih kurang kita boleh mengandaikan bahawa TKN U pr = -2mV/K.

Arus balikan diod bergantung lebih kuat pada suhu kes dan mempunyai pekali positif. Oleh itu, dengan peningkatan suhu bagi setiap 10°C, arus balikan diod germanium meningkat sebanyak 2 kali ganda, dan diod silikon sebanyak 2.5 kali ganda.

Kerugian dalam diod penerus boleh dikira menggunakan formula

di mana P pr - kerugian dalam diod semasa arah hadapan arus, P arr - kerugian dalam diod semasa arus songsang, P rec - kehilangan dalam diod pada peringkat pemulihan songsang.

Nilai anggaran kerugian hadapan boleh dikira menggunakan formula

di mana I pr.sr dan U pr.sr ialah nilai purata arus hadapan dan voltan hadapan pada diod. Begitu juga, anda boleh mengira kehilangan kuasa semasa arus terbalik:

Dan akhirnya, kerugian pada peringkat pemulihan terbalik ditentukan oleh formula

di mana f ialah kekerapan voltan ulang-alik.

Selepas mengira kehilangan kuasa dalam diod, suhu badan diod harus ditentukan menggunakan formula

di mana T p.maks = 150 0 C ialah suhu maksimum yang dibenarkan bagi hablur diod, R p.c. - rintangan haba badan simpang-diod (diberikan dalam data rujukan untuk diod), Tk.max - suhu maksimum badan diod yang dibenarkan.

Diod penghalang Schottky. Untuk membetulkan voltan frekuensi tinggi yang rendah, diod penghalang Schottky (SBD) digunakan secara meluas. Diod ini menggunakan sentuhan logam ke semikonduktor dan bukannya simpang pn. Pada titik sentuhan, lapisan semikonduktor kehabisan pembawa cas muncul, yang dipanggil lapisan gerbang. Diod dengan penghalang Schottky berbeza daripada diod dengan persimpangan pn dalam parameter berikut:

Kejatuhan voltan hadapan yang lebih rendah;

Mempunyai voltan terbalik yang lebih rendah;

Arus kebocoran yang lebih tinggi;

Hampir tiada caj pemulihan terbalik.

Dua ciri utama menjadikan diod ini amat diperlukan dalam reka bentuk penerus voltan rendah, frekuensi tinggi: penurunan voltan ke hadapan rendah dan masa pemulihan voltan belakang rendah. Di samping itu, ketiadaan media bukan utama yang memerlukan masa pemulihan bermakna ketiadaan fizikal menukar kerugian diod itu sendiri.

Dalam diod penghalang Schottky, penurunan voltan hadapan adalah fungsi voltan terbalik. Voltan maksimum diod Schottky moden ialah kira-kira 150V. Pada voltan ini, voltan hadapan DS adalah 0.2...0.3V kurang daripada voltan hadapan diod dengan simpang p-n.

Kelebihan diod Schottky menjadi amat ketara apabila membetulkan voltan rendah. Sebagai contoh, diod Schottky 45 volt mempunyai voltan hadapan 0.4...0.6V, dan pada arus yang sama diod dengan persimpangan p-n mempunyai kejatuhan voltan 0.5...1.0 V. Apabila voltan terbalik jatuh ke Voltan hadapan 15V berkurangan kepada 0.3...0.4V. Secara purata, penggunaan diod Schottky dalam penerus boleh mengurangkan kerugian kira-kira 10...15%. Kekerapan operasi maksimum DS melebihi 200 kHz pada arus sehingga 30 A.

Kuliah 3. Jenis diod semikonduktor khas

Jenis diod semikonduktor. Diod semikonduktor khas termasuk peranti yang menggunakan sifat khas simpang p-n: kemuatan semikonduktor terkawal - varicaps dan varactors; Luncuran Zener dan avalanche - diod zener; kesan terowong- terowong dan diod terbalik; kesan fotoelektrik - fotodiod; penggabungan semula foton pembawa caj - LED; diod berbilang lapisan - dinistor. Di samping itu, beberapa jenis peranti dengan tiga terminal, seperti thyristor dan diod dua asas, dikelaskan sebagai diod.

Varicaps ialah diod semikonduktor yang menggunakan kemuatan penghalang bagi simpang p-n. Kapasiti ini bergantung kepada voltan terbalik yang digunakan pada diod dan berkurangan apabila ia meningkat. Faktor kualiti kapasitans penghalang varicap boleh agak tinggi, kerana ia dihalang oleh rintangan diod yang agak tinggi pada pincang songsang.

Perwakilan skematik varicap ditunjukkan dalam Rajah. 3.1 a, dan ciri kapasitans-voltannya ditunjukkan dalam Rajah. 3.1 b. Simbol varicapa mengandungi lima elemen. Elemen pertama menunjukkan bahan dari mana varicap dibuat (K - silikon). Elemen kedua menunjukkan bahawa diod tergolong dalam subkelas varicap (B - varicap). Elemen ketiga ialah nombor yang menentukan tujuan varicap (1 - untuk menala varicaps, 2 - untuk mendarab varicaps). Elemen keempat ialah nombor siri pembangunan. Dan akhirnya, elemen kelima sepadan dengan penyaringan mengikut parameter. Jadi, sebagai contoh, dalam Rajah. 3.1 b menunjukkan ciri-ciri varicap KV117A.

Nilai teori kapasiti varicap boleh ditentukan oleh formula

di mana C 0 ialah kemuatan awal varicap pada U in = 0, U in ialah voltan pada varicap,  k ialah beza keupayaan sentuhan.

Parameter utama varicap ialah: kapasiti awalnya C o, faktor kualiti Q c, pekali pertindihan kapasiti K c. Faktor kualiti varicap ditentukan oleh nisbah kuasa reaktif varicap Q kepada kuasa P:

*Dalam perkara berikut, semua diod (iaitu, peranti dua elektrod dengan persimpangan n-p) ditetapkan VD atau D, seperti dalam Rajah. 3.1.

Pekali pertindihan kapasitansi ditakrifkan sebagai nisbah kemuatan maksimum C maks varicap kepada kapasitans minimumnya C min.

Di samping itu, ia sering menunjukkan pekali suhu kapasiti varicap  c = C/T dan frekuensi mengehadkan fpre, di mana faktor kualiti varicap dikurangkan kepada Q = 1.

Faktor kualiti varicap meningkat dengan peningkatan voltan terbalik dan kekerapan operasi berkurangan. Graf pergantungan faktor kualiti varicap KV117A pada frekuensi dan voltan terbalik ditunjukkan dalam Rajah. 3.2.

Satu litar varicap setara ditunjukkan dalam Rajah. 3.3, di mana C b ialah kemuatan penghalang, R w ialah rintangan simpang dan kebocoran yang memecut kerana reka bentuk varicap, R p ialah rintangan bahan semikonduktor, rantau p-n dan sesentuh. Impedans varicap diberikan oleh

Faktor kualiti varicap dalam kawasan frekuensi rendah mengikut (3.4) boleh ditentukan oleh formula

dari mana ia mengikuti bahawa ia meningkat dengan peningkatan kekerapan.

Pada frekuensi tinggi, jika keadaan C b R w >>1 dipenuhi, rintangan R n boleh diabaikan dan kemudian faktor kualiti varicap bergantung kepada frekuensi mengikut formula

iaitu ia berkurangan dengan peningkatan kekerapan.

Ia berikutan bahawa faktor kualiti varicap mempunyai maksimum, yang sepadan dengan kekerapan

dalam kes ini, faktor kualiti maksimum boleh didapati menggunakan formula

Dalam Rajah. Rajah 3.3 b menunjukkan pergantungan faktor kualiti Q pada kekerapan bagi varikap yang diperbuat daripada silikon dan galium arsenida. Ia boleh dilihat daripada graf bahawa bagi varikap galium arsenide frekuensi optimum ialah ~ 1 kHz, manakala bagi varikap silikon ia hampir mencapai 1 MHz.

Varicaps digunakan dalam pelbagai litar elektronik ah: modulator, litar resonan boleh tala, penjana yang ditala secara elektronik, penguat dan penjana parametrik, dsb. Dalam Rajah. 3.4 menunjukkan gambar rajah litar resonans dengan penalaan elektronik menggunakan voltan DC U p. Voltan penalaan dibekalkan kepada titik tengah dua varicap bersambung siri belakang ke belakang VD1 dan VD2 melalui Rd perintang tambahan. Kemasukan varicaps ini memungkinkan untuk meningkatkan kecuraman penalaan dan menghapuskan keperluan untuk menggunakan kapasitor pemisah. Khususnya untuk skim sedemikian, industri menghasilkan dwi-varikap jenis KVS111 atau KVS120.

Diod Zener- Ini adalah diod semikonduktor yang beroperasi dalam mod pecahan runtuhan salji. Apabila diod semikonduktor dipincang songsang, kerosakan salji elektrik pada simpang pn berlaku. Selain itu, dalam pelbagai perubahan arus melalui diod, voltan merentasinya berubah sangat sedikit. Untuk mengehadkan arus melalui diod zener, rintangan disambungkan secara bersiri dengannya. Jika dalam mod pecahan kuasa yang digunakan di dalamnya tidak melebihi maksimum yang dibenarkan, maka dalam mod ini diod zener boleh beroperasi selama-lamanya. Dalam Rajah. 3.5a menunjukkan perwakilan skematik diod zener, dan Rajah. 3.5 b menunjukkan ciri voltan arusnya.

Voltan penstabilan diod zener bergantung pada suhu. Dalam Rajah. 3.56 garis putus-putus menunjukkan pergerakan ciri-ciri voltan arus dengan peningkatan suhu. Jelas sekali bahawa peningkatan suhu meningkatkan voltan kerosakan runtuhan salji pada Ust > 5V dan menurunkannya pada Ust< 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.

Kadangkala penurunan voltan ke hadapan merentasi diod digunakan untuk menstabilkan voltan. Peranti sedemikian, berbeza dengan diod zener, dipanggil stabistor. Di kawasan pincang ke hadapan simpang p-n, voltan merentasinya mempunyai nilai 0.7...2V dan bergantung sedikit pada arus. Dalam hal ini, stabistor membolehkan anda menstabilkan hanya voltan rendah (tidak lebih daripada 2V). Untuk mengehadkan arus melalui penstabil, rintangan juga disambungkan secara bersiri dengannya. Tidak seperti diod zener, apabila suhu meningkat, voltan pada penstabil berkurangan, kerana voltan hadapan pada diod mempunyai TKN negatif. Litar sambungan diod zener ditunjukkan dalam Rajah. 3.6 a, dan stabistor - dalam Rajah. 3.6 b.

Sifat pergantungan suhu di atas voltan diod zener adalah disebabkan oleh pelbagai jenis kerosakan pada mereka. Dalam persimpangan lebar pada kekuatan medan sehingga 5*10 4 V/cm, kerosakan runtuhan salji berlaku. Pecahan sedemikian pada voltan simpang > 6V mempunyai pekali suhu positif.

Dalam laluan sempit dengan ketegangan yang tinggi medan elektrik(lebih daripada 1.4 * 10 6 V) pecahan diperhatikan, yang dipanggil Zener. Pecahan ini berlaku pada voltan simpang rendah (kurang daripada 5V) dan dicirikan oleh pekali suhu negatif. Apabila voltan di persimpangan adalah dari 5 hingga 6V, kedua-dua jenis kerosakan wujud serentak, jadi pekali suhu adalah hampir kepada sifar. Graf kebergantungan pekali suhu TKH st daripada voltan penstabilan U st ditunjukkan dalam Rajah. 3.7.

Parameter utama diod zener ialah:

Voltan penstabilan U st;

Pekali suhu penstabilan voltan TKN st;

Arus yang dibenarkan melalui diod zener I st.add.

Rintangan pembezaan diod zener r st.

Di samping itu, untuk diod zener berdenyut masa pensuisan diod zener t dinormalkan, dan untuk diod zener dua muka asimetri voltan penstabilan U st = U st1 – U st2 dinormalkan.

Rintangan pembezaan diod Zener ialah parameter yang mencirikan kecerunan ciri voltan semasa di rantau pecahan. Dalam Rajah. Rajah 3.8a menunjukkan ciri linear diod zener, dengan bantuan anda boleh menentukan rintangan pembezaannya dan membina litar setara yang ditunjukkan dalam Rajah. 3.8 b.

DAN
menggunakan yang ditunjukkan dalam Rajah. 3.8 b litar setara, anda boleh mengira penstabil voltan termudah yang ditunjukkan dalam Rajah. 3.9 a. Menggantikan diod zener dengan litar yang setara, kami memperoleh litar reka bentuk yang ditunjukkan dalam Rajah. 3.9 b. Untuk skema ini, anda boleh menulis sistem persamaan

Hasil daripada menyelesaikan sistem persamaan (3.9), kita memperoleh voltan pada keluaran penstabil

Menggantikan nilai I n, akhirnya kita dapat

Daripada ungkapan (3.11) berikutan bahawa voltan keluaran penstabil bergantung pada voltan pada input penstabil U in, rintangan beban I n dan had arus R g, serta parameter diod zener U st dan r st.

Simbol untuk diod zener termasuk: bahan semikonduktor (K - silikon); penetapan subkelas diod zener (huruf C); nombor yang menunjukkan kuasa diod zener; dua nombor yang sepadan dengan voltan penstabilan, dan satu huruf yang menunjukkan ciri reka bentuk atau perumahan. Sebagai contoh, diod zener KS168A sepadan dengan diod zener berkuasa rendah (arus kurang daripada 0.3 A) dengan voltan penstabilan 6.8 V, dalam bekas logam.

Selain penstabilan voltan, diod zener juga digunakan untuk mengehadkan denyutan voltan dan dalam litar perlindungan pelbagai elemen daripada meningkatkan voltan pada mereka.

Diod terowong. Kesan terowong ialah laluan terowong arus melalui simpang pn. Dalam kes ini, arus mula melalui persimpangan pada voltan jauh lebih rendah daripada perbezaan potensi sentuhan. Kesan terowong dicapai dengan mencipta lapisan penyusutan yang sangat nipis, yang dalam diod terowong mencapai 0.01 mikron. Dengan lapisan susut nipis di dalamnya, walaupun pada voltan 0.6...0.7 V, kekuatan medan mencapai (5...7)*10 5 V/cm. Pada masa yang sama, arus yang ketara mengalir melalui persimpangan p-n yang begitu sempit.

Arus ini mengalir dalam kedua-dua arah, hanya di rantau pincang ke hadapan arus mula-mula meningkat, dan setelah mencapai nilai maksimum I, pada voltan U 1, kemudian menurun dengan agak mendadak kepada I min pada voltan U 2. Pengurangan arus adalah disebabkan oleh fakta bahawa dengan peningkatan voltan ke arah hadapan, bilangan elektron yang mampu membuat peralihan terowong berkurangan. Pada voltan U 2 bilangan elektron tersebut menjadi sifar dan arus terowong hilang.

Dengan peningkatan selanjutnya dalam voltan di atas U2, aliran arus hadapan adalah sama seperti diod konvensional dan ditentukan oleh resapan.

Oleh kerana ketebalan lapisan simpang p-n yang sangat kecil, masa peralihan melaluinya adalah sangat singkat (sehingga 10 13 – 10 14 s), oleh itu diod terowong adalah peranti yang hampir bebas inersia. Dalam diod konvensional, elektron melalui persimpangan disebabkan oleh resapan, i.e. Sangat perlahan. Ciri voltan semasa diod terowong ditunjukkan dalam Rajah. 3.10 a, dan perwakilan skematiknya adalah dalam Rajah. 3.10 b.

Tiga bahagian utama boleh dibezakan dalam ciri voltan arus diod terowong: bahagian awal pertumbuhan arus dari titik 0 hingga I maks, bahagian penurunan arus dari I max ke I min, dan bahagian pertumbuhan arus selanjutnya dari Saya berada di dalam. Adalah jelas bahawa bahagian jatuh, di mana kenaikan voltan positif U > 0 sepadan dengan kenaikan arus negatif I, mempunyai rintangan negatif (atau kekonduksian negatif -G).

Litar setara diod terowong pada titik operasi yang dipilih dalam bahagian rintangan negatif untuk isyarat kecil mempunyai bentuk yang ditunjukkan dalam Rajah. 3.10 in. Dalam rajah ini, C ialah jumlah kapasiti diod pada titik minimum ciri voltan semasa, -G ialah kekonduksian negatif dalam bahagian jatuh, r n ialah rintangan siri kerugian, L ialah kearuhan petunjuk.

Litar penjana menggunakan diod terowong ditunjukkan dalam Rajah. 3.11 a. Dalam litar ini, triod terowong TD disambung secara bersiri dengan beban dan sumber voltan malar E. Untuk ayunan berlaku dalam litar ini, dua syarat mesti dipenuhi. Syarat pertama ialah voltan sumber E memastikan bahawa titik operasi TD terletak di bahagian rintangan negatif (bahagian jatuh). Syarat kedua ialah rintangan negatif TD lebih besar daripada rintangan beban positif R H (iaitu 1/G > R H).

Dalam Rajah. 3.11 b menunjukkan cara memilih voltan sumber kuasa E untuk rintangan beban tertentu R H. Dua titik diplot pada paksi ciri voltan semasa TD. Paksi voltan memaparkan voltan sumber kuasa E, yang sepadan dengan voltan pada diod dengan beban litar pintas RH, dan paksi semasa memaparkan E/RH semasa, yang sepadan dengan TD litar pintas. Kedua-dua titik ini disambungkan oleh garis lurus, yang dipanggil beban. Persimpangan garis beban R H dengan ciri voltan semasa TD sepadan dengan arus yang sama (yang diperlukan apabila menyambungkannya secara bersiri) dan menentukan kedudukan titik operasi.

Seperti yang dapat dilihat dari Rajah. 3.11 b, titik operasi pada bahagian jatuh boleh dicapai dengan dua cara untuk melukis garis beban. Garis beban 1, dilukis melalui titik E 1 dan E 1 /R H2, memotong ciri voltan semasa TD pada tiga titik A, B dan C. Jelas sekali, apabila menyambungkan kuasa ke litar, yang pertama akan menjadi titik operasi A , di mana rintangan TD adalah positif dan , oleh itu, tidak akan ada generasi.

Garis beban 2, dilukis antara titik E 2 dan E 2 / R H3, memotong ciri voltan semasa TD hanya pada satu titik B. Pilihan voltan bekalan E 2 dan beban R H3 ini memberikan kemungkinan ayunan dalam litar . Untuk menentukan rintangan beban yang dibenarkan, kita dapati rintangan negatif TD. Untuk melakukan ini, kami menentukan jumlah rintangan TD menggunakan litar setaranya (Rajah 3.10 c).

Diod semikonduktor dipanggil penukar elektrik peranti semikonduktor dengan satu persimpangan elektrik pembetulan, mempunyai 2 output.

Struktur diod semikonduktor dengan peralihan lubang elektron dan sebutan grafik konvensionalnya ditunjukkan dalam Rajah. 1.2, a, b.

Huruf p dan n masing-masing menandakan lapisan dengan kekonduksian jenis p dan n.

Biasanya, kepekatan pembawa cas majoriti (lubang dalam lapisan p dan elektron dalam lapisan n) sangat berbeza. Lapisan semikonduktor dengan kepekatan yang lebih tinggi dipanggil pemancar, dan lapisan dengan kepekatan yang lebih rendah dipanggil asas.

Seterusnya, kita akan mempertimbangkan unsur-unsur utama diod (simpang p-n dan hubungan semikonduktor logam tidak membetulkan), fenomena fizikal yang mendasari operasi diod, serta konsep penting, digunakan untuk menerangkan diod.

Pemahaman yang mendalam fenomena fizikal dan penguasaan konsep ini adalah perlu bukan sahaja untuk memilih jenis diod tertentu dengan betul dan menentukan mod pengendalian litar yang sepadan, melakukan pengiraan tradisional menggunakan satu atau teknik lain.

Oleh kerana pengenalan pantas ke dalam amalan kerja kejuruteraan sistem moden pemodelan litar, fenomena dan konsep ini mesti sentiasa diingati semasa membuat persembahan pemodelan matematik.

Sistem simulasi bertambah baik dengan pantas dan model matematik elemen litar elektronik semakin mengambil kira fenomena fizikal yang paling "halus". Ini menjadikan pendalaman pengetahuan berterusan dalam bidang yang diterangkan sangat diingini dan pemahaman tentang fenomena fizikal asas, serta penggunaan konsep asas yang berkaitan, diperlukan.

Penerangan di bawah tentang fenomena dan konsep utama, antara lain, harus menyediakan pembaca untuk kajian sistematik tentang isu pemodelan matematik litar elektronik.

Fenomena dan konsep yang dibincangkan di bawah mesti diketahui apabila mengkaji bukan sahaja diod, tetapi juga peranti lain.

Struktur simpang p-n.

Mula-mula, mari kita lihat lapisan semikonduktor yang diasingkan antara satu sama lain (Rajah 1.3).

Mari kita gambarkan gambar rajah jalur yang sepadan (Rajah 1.4).

DALAM kesusasteraan Rusia dalam elektronik, tahap rajah jalur dan perbezaan antara tahap ini sering dicirikan oleh potensi dan perbezaan potensi, mengukurnya dalam volt, sebagai contoh, ia menunjukkan bahawa jurang jalur f 5 untuk silikon ialah 1.11 V.

Pada masa yang sama, sistem pemodelan litar asing melaksanakan pendekatan bahawa tahap dan perbezaan tahap yang ditunjukkan dicirikan oleh satu atau tenaga lain dan diukur dalam volt elektron (eV), sebagai contoh, sebagai tindak balas kepada permintaan daripada sistem sedemikian tentang celah jalur dalam kes diod silikon, nilai 1.11 eV.

Karya ini menggunakan pendekatan yang diterima pakai dalam kesusasteraan domestik.

Sekarang pertimbangkan lapisan sentuhan semikonduktor (Rajah 1.5).

Dalam menghubungi lapisan semikonduktor, resapan lubang berlaku dari lapisan p ke lapisan n, sebabnya ialah kepekatannya dalam lapisan p adalah jauh lebih besar daripada kepekatannya dalam lapisan n (terdapat kecerunan kepekatan lubang). Sebab yang sama memastikan resapan elektron dari lapisan n ke lapisan p.

Resapan lubang dari lapisan p ke lapisan n, pertama, mengurangkan kepekatannya di kawasan sempadan lapisan p dan, kedua, mengurangkan kepekatan elektron bebas di kawasan sempadan lapisan n akibat penggabungan semula. Resapan elektron dari lapisan n ke lapisan p mempunyai keputusan yang serupa. Akibatnya, di kawasan sempadan lapisan p dan lapisan n, lapisan yang dipanggil habis muncul, di mana kepekatan pembawa cas mudah alih (elektron dan lubang) adalah rendah. Lapisan penyusutan mempunyai besar kerintangan.

Ion kekotoran lapisan penyusutan tidak dikompensasikan oleh lubang atau elektron. Secara kolektif, ion-ion membentuk caj ruang yang tidak terkompensasi, mewujudkan medan elektrik dengan kekuatan E yang ditunjukkan dalam Rajah. 1.5. Medan ini menghalang peralihan lubang dari lapisan p ke lapisan n dan peralihan elektron dari lapisan n ke lapisan p. Ia mewujudkan aliran hanyutan yang dipanggil pembawa cas mudah alih, menggerakkan lubang dari lapisan n ke lapisan p dan elektron dari lapisan p ke lapisan n.

Dalam keadaan mantap, fluks drift adalah sama dengan fluks resapan yang disebabkan oleh kecerunan kepekatan. Dalam simpang pn asimetri, cas dalam lapisan dengan kepekatan kekotoran yang lebih rendah, iaitu dalam pangkalan, adalah lebih meluas.

Mari kita gambarkan gambarajah jalur untuk menghubungi lapisan (Rajah 1.6), dengan mengambil kira tahap Fermi untuknya adalah sama.

Pertimbangan struktur simpang pn dan kajian rajah jalur (Rajah 1.6) menunjukkan bahawa halangan berpotensi timbul di kawasan peralihan. Untuk silikon, ketinggian Af bagi penghalang berpotensi adalah lebih kurang 0.75 V.

Marilah kita menerima syarat bahawa potensi beberapa titik jauh daripada peralihan dalam lapisan p sama dengan sifar. Mari kita lukiskan pergantungan potensi Ф pada koordinat x bagi titik yang sepadan (Rajah 1.7). Seperti yang dapat dilihat dari rajah, nilai koordinat x = 0 sepadan dengan sempadan lapisan semikonduktor.

Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa gambar rajah jalur yang dibentangkan di atas dan graf untuk potensi Ф (Rajah 1.7) benar-benar sepadan dengan pendekatan yang digunakan dalam kesusasteraan tentang fizik semikonduktor, mengikut mana potensi ditentukan untuk elektron yang mempunyai cas negatif.

Dalam kejuruteraan elektrik dan elektronik ia ditakrifkan sebagai kerja yang dilakukan oleh kuasa medan untuk memindahkan unit caj positif.

Mari kita plot pergantungan potensi Fe, ditentukan berdasarkan pendekatan kejuruteraan elektrik, pada koordinat x (Rajah 1.8).

Di bawah, kami akan meninggalkan indeks "e" dalam penetapan potensi dan hanya menggunakan pendekatan kejuruteraan elektrik (dengan pengecualian gambarajah zon).

Terus dan terbalik menghidupkan p-n-peralihan. Diidealkan huraian matematik ciri peralihan.

Mari kita sambungkan sumber luaran ke persimpangan p-n seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 1.9. Ini adalah sambungan langsung yang dipanggil persimpangan p-n. Akibatnya, halangan potensi akan berkurangan dengan nilai u (Rajah 1.10), fluks hanyut akan berkurangan, persimpangan p-n akan masuk ke dalam keadaan tidak seimbang, dan apa yang dipanggil arus hadapan akan mengalir melaluinya.

Mari kita sambungkan sumber kepada simpang p-n seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 1.11. Ini adalah apa yang dipanggil pensuisan terbalik simpang p-n. Sekarang halangan berpotensi akan meningkat sebanyak u (Rajah 1.12). Dalam kes yang sedang dipertimbangkan, melalui persimpangan pn akan menjadi sangat kecil. Ini adalah sebaliknya yang dipanggil, yang dipastikan oleh penjanaan haba elektron dan lubang di kawasan bersebelahan dengan kawasan persimpangan pn.

Walau bagaimanapun, caj ruang mewujudkan medan elektrik, yang seterusnya memberi kesan yang paling ketara kepada pergerakan pembawa elektrik bebas, iaitu, proses pengaliran arus.

Apabila songsangan meningkat, kawasan caj ruang (terutamanya disebabkan oleh tapak) dan jumlah cas dalam setiap lapisan (p dan n) semikonduktor meningkat. Peningkatan ini berlaku secara tidak seimbang: dengan voltan terbalik modulus yang besar, cas meningkat dengan peningkatan modulus dengan lebih perlahan berbanding dengan voltan terbalik modulus yang kecil.

Mari kita berikan ilustrasi penjelasan (Rajah 1.19), di mana kita menggunakan tatatanda:

Q ialah cas ruang dalam lapisan n semikonduktor;

u ialah voltan luaran yang digunakan pada simpang p-n.

Mari kita nyatakan dengan f fungsi yang menerangkan pergantungan Q pada u. Selaras dengan perkara di atas

Dalam amalan pemodelan matematik (dan dalam pengiraan manual), adalah mudah dan oleh itu kebiasaan untuk menggunakan bukan ungkapan ini, tetapi yang lain, yang diperoleh daripada ini sebagai hasil pembezaan. Dalam amalan, apa yang dipanggil kemuatan penghalang C 6ap bagi simpang p-n digunakan secara meluas, dan mengikut definisi, C 6ap = | dQ/du | Mari kita lukis graf untuk Q (Rajah 1.20) dan bar C (Rajah 1.21).

Fenomena kemunculan dan perubahan dalam cas ruang pembawa elektrik tidak seimbang. Kapasiti resapan.

Jika sumber luar mengalihkan simpang p-n ke arah hadapan (u> 0), kemudian suntikan (pelepasan) bermula - aliran pembawa elektrik minoriti ke dalam lapisan semikonduktor yang sedang dipertimbangkan. Dalam kes simpang pn asimetri (yang biasanya berlaku dalam amalan), peranan utama dimainkan melalui suntikan dari pemancar ke pangkalan.

Kami selanjutnya menganggap bahawa simpang adalah tidak simetri dan pemancar adalah lapisan p dan asasnya adalah lapisan n. Kemudian suntikan ialah kemasukan lubang ke dalam lapisan n. Akibat suntikan ialah kemunculan lubang di dasar cas ruang.

Adalah diketahui bahawa dalam semikonduktor fenomena kelonggaran dielektrik (kelonggaran Maxwell) berlaku, yang terdiri daripada fakta bahawa caj ruang yang terhasil hampir serta-merta dikompensasikan oleh caj mendekati pembawa bebas dengan tanda yang berbeza. Ini berlaku dalam kira-kira 10 -12 s atau 10 -11 s.

Selaras dengan ini, caj lubang yang memasuki pangkalan akan hampir serta-merta dineutralkan oleh cas elektron yang sama.

Kami menggunakan notasi berikut:

Q ialah cas isipadu pembawa bukan keseimbangan dalam tapak;

u ialah voltan luaran yang digunakan pada simpang p-n;

f ialah fungsi yang menerangkan pergantungan Q pada u.

Mari kita berikan ilustrasi penjelasan (Gamb. 1.22).

Selaras dengan yang di atas, Q = f(u) Dalam amalan, adalah mudah dan lazim untuk menggunakan bukan ungkapan ini, tetapi ungkapan lain, yang diperoleh daripada ini sebagai hasil pembezaan. Dalam kes ini, konsep kemuatan resapan C beza persimpangan p-n digunakan, dan mengikut takrifan C beza = dQ / du Kemuatan dipanggil kemuatan resapan, kerana cas Q yang dipertimbangkan mendasari resapan pembawa dalam pangkalan.

Adalah mudah dan lazim untuk menerangkan Cdiff bukan sebagai fungsi u, tetapi sebagai fungsi arus i bagi simpang p-n.

Caj Q itu sendiri adalah berkadar terus dengan arus i (Rajah 1.23, a). Sebaliknya, i bergantung secara eksponen pada u (ungkapan yang sepadan diberikan di atas), oleh itu derivatif di / du juga berkadar terus dengan arus (untuk fungsi eksponen, terbitannya lebih besar, lebih besar lebih nilai fungsi). Ia berikutan bahawa beza kapasitans C adalah berkadar terus dengan arus i (Rajah 1.23.6):

Cdif=i·τ/φт di mana φт - potensi suhu (ditakrifkan di atas);

τ ialah purata masa penerbangan (untuk pangkalan nipis), atau seumur hidup (untuk pangkalan tebal).

Purata masa penerbangan ialah masa semasa pembawa elektrik yang disuntik melepasi pangkalan, dan jangka hayat ialah masa dari suntikan pembawa elektrik ke pangkalan sehingga penggabungan semula.

Jumlah kapasitansi simpang pn.

Kapasiti C per ini adalah sama dengan jumlah kapasiti yang dipertimbangkan, iaitu C per = C bar + C diff.

Apabila simpang dipincang songsang (u< 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно С бар < С диф.

Sentuhan semikonduktor logam tidak membetulkan.

Untuk menyambungkan terminal luaran dalam diod, kenalan logam semikonduktor bukan pembetulan (ohmik) digunakan. Ini adalah sesentuh yang rintangannya secara praktikalnya tidak bergantung pada kekutuban atau magnitud voltan luaran.

Menerima kenalan yang tidak membetulkan - tidak kurang tugas penting daripada mendapatkan simpang p-n. Untuk peranti silikon, aluminium sering digunakan sebagai logam sentuhan. Sifat sesentuh logam semikonduktor ditentukan oleh perbezaan dalam fungsi kerja elektron. Fungsi kerja elektron daripada pepejal ialah pertambahan tenaga yang harus diterima oleh elektron yang terletak pada aras Fermi untuk keluar dari jasad ini.

Mari kita nyatakan fungsi kerja untuk logam dengan A m, dan untuk semikonduktor dengan A p. Membahagikan fungsi kerja dengan cas elektron q, kita memperoleh potensi yang sepadan:

φ m =A m /q,φ n =A n /q

Mari kita perkenalkan dalam pertimbangan apa yang dipanggil beza potensi sentuhan φ mn:φ mn=φ m -φ n

Untuk lebih spesifik, mari kita beralih kepada hubungan semikonduktor logam jenis-n. Untuk mendapatkan sesentuh tidak membetulkan, syarat φ mesti dipenuhi mn< 0. Изобразим соответствующие зонные диаграммы для неконтактирующих металла и полупроводника (рис. 1.24).

Seperti yang ditunjukkan oleh rajah, tahap tenaga dalam semikonduktor, jalur pengaliran yang sepadan diisi kurang daripada dalam logam. Oleh itu, selepas menyambungkan logam dan semikonduktor, beberapa elektron akan bergerak dari logam ke semikonduktor. Ini akan membawa kepada peningkatan kepekatan elektron dalam semikonduktor jenis-n.

Oleh itu, kekonduksian semikonduktor dalam kawasan sentuhan akan meningkat dan lapisan penghapusan pembawa bebas akan tiada. Kata fenomena ternyata menjadi sebab bahawa kenalan itu tidak akan dibetulkan. Untuk mendapatkan sesentuh semikonduktor logam jenis p yang tidak membetulkan, syarat φmp> 0 mesti dipenuhi

Sentuhan dua semikonduktor jenis n dan p dipanggil simpang p-n atau simpang n-p. Hasil daripada sentuhan antara semikonduktor, resapan bermula. Sebahagian daripada elektron pergi ke lubang, dan beberapa lubang pergi ke bahagian elektron.

Akibatnya, semikonduktor dicas: n-positif, dan p-negatif. Selepas medan elektrik yang muncul dalam zon peralihan mula mengganggu pergerakan elektron dan lubang, resapan akan berhenti.

Apabila simpang pn disambungkan ke arah hadapan, ia akan melalui arus melalui dirinya sendiri. Jika anda menyambungkan persimpangan pn ke arah yang bertentangan, maka ia boleh dikatakan tidak akan melepasi arus.

Graf berikut menunjukkan ciri-ciri voltan semasa bagi sambungan hadapan dan belakang bagi simpang pn.

Menghasilkan diod semikonduktor

Garis pepejal menunjukkan ciri voltan semasa sambungan terus simpang pn, dan garis putus-putus menunjukkan sambungan terbalik.
Graf menunjukkan bahawa persimpangan pn adalah tidak simetri berkenaan dengan arus, kerana dalam arah hadapan rintangan persimpangan adalah lebih kurang daripada dalam arah sebaliknya.

Sifat simpang PN digunakan secara meluas untuk pembetulan arus elektrik. Untuk melakukan ini, diod semikonduktor dibuat berdasarkan persimpangan pn.

Biasanya, germanium, silikon, selenium dan beberapa bahan lain digunakan untuk membuat diod semikonduktor. Mari kita lihat dengan lebih dekat proses mencipta simpang pn menggunakan germanium dengan semikonduktiviti jenis-n.

Peralihan sedemikian tidak boleh diperolehi dengan menyambung secara mekanikal dua semikonduktor dengan jenis kekonduksian yang berbeza. Ini adalah mustahil kerana ia mewujudkan jurang yang terlalu besar antara semikonduktor.

Dan kita memerlukan ketebalan simpang pn tidak lebih besar daripada jarak interatomik. Untuk mengelakkan ini, indium dicantumkan ke dalam salah satu permukaan sampel.

Untuk mencipta diod semikonduktor, semikonduktor berdop p yang mengandungi atom indium dipanaskan hingga suhu tinggi. Sepasang kekotoran jenis-n dimendapkan pada permukaan hablur. Selanjutnya, disebabkan oleh penyebaran, mereka diperkenalkan ke dalam kristal itu sendiri.

Pada permukaan kristal dengan kekonduksian jenis-p, kawasan dengan kekonduksian jenis-n terbentuk. Rajah berikut secara skematik menunjukkan rupa ini.

Untuk mengelakkan kristal daripada terdedah kepada udara dan cahaya, ia diletakkan di dalam bekas logam yang tertutup. Pada asas gambar rajah elektrik, diod ditunjukkan oleh ikon khas berikut.

Penerus semikonduktor mempunyai sangat kebolehpercayaan yang tinggi dan hayat perkhidmatan yang panjang. Kelemahan utama mereka ialah mereka hanya boleh bekerja dalam julat suhu yang kecil: dari -70 hingga 125 darjah.

Diod semikonduktor

Diod semikonduktor - unsur litar elektrik, mempunyai dua terminal dan mempunyai kekonduksian elektrik satu sisi. Semua diod semikonduktor boleh dibahagikan kepada dua kumpulan: penerus dan khas. Diod penerus, seperti namanya, direka untuk membetulkan arus ulang-alik. Bergantung kepada kekerapan dan bentuk voltan berselang-seli, ia dibahagikan kepada frekuensi tinggi, frekuensi rendah dan berdenyut. Jenis khas diod semikonduktor menggunakan sifat yang berbeza p-n peralihan: fenomena kerosakan, kapasiti penghalang, kehadiran kawasan dengan rintangan negatif, dsb.

Secara struktur, diod penerus dibahagikan kepada diod planar dan titik, dan mengikut teknologi pembuatan kepada aloi, resapan dan epitaxial. Diod planar kerana kawasan yang besar p-n-simpang digunakan untuk membetulkan arus besar. Diod titik mempunyai kawasan peralihan yang kecil dan, dengan itu, direka untuk membetulkan arus kecil. Untuk meningkatkan voltan pecahan runtuhan salji, lajur penerus digunakan, yang terdiri daripada satu siri diod yang disambung secara bersiri.

Diod penerus kuasa tinggi dipanggil diod kuasa. Bahan untuk diod tersebut biasanya silikon atau galium arsenida. Germanium boleh dikatakan tidak digunakan kerana pergantungan suhu yang kuat dari arus terbalik. Diod aloi silikon digunakan untuk membetulkan arus ulang alik sehingga 5 kHz. Diod penyebaran silikon boleh beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi sehingga 100 kHz. Diod epitaxial silikon dengan substrat logam (dengan penghalang Schottky) boleh digunakan pada frekuensi sehingga 500 kHz. Diod gallium arsenide mampu beroperasi dalam julat frekuensi sehingga beberapa MHz.

Diod berfungsi dengan menggunakan persimpangan lubang elektron - lapisan nipis bahan antara dua kawasan jenis yang berbeza kekonduksian elektrik - n Dan hlm. Sifat utama peralihan ini ialah kekonduksian elektrik asimetri, di mana kristal melepasi arus dalam satu arah dan tidak melepasi yang lain. Peranti peralihan lubang elektron ditunjukkan dalam Rajah 1.1, a. Satu bahagian daripadanya didopkan dengan bendasing penderma dan mempunyai kekonduksian elektronik ( n-wilayah); yang satu lagi, didopkan dengan kekotoran penerima, mempunyai kekonduksian lubang ( hlm-wilayah). Kepekatan pembawa di kawasan berbeza dengan ketara. Di samping itu, terdapat kepekatan kecil pembawa minoriti di kedua-dua bahagian.

Rajah.1.1. p-n peralihan:

a – peranti, b – cas isipadu

Elektron masuk n-kawasan cenderung untuk menembusi hlm-wilayah di mana kepekatan elektron jauh lebih rendah. Begitu juga, lubang dari hlm-kawasan dipindahkan ke n-wilayah. Hasil daripada pergerakan balas cas bertentangan, arus resapan yang dipanggil timbul. Elektron dan lubang, setelah melintasi antara muka, meninggalkan cas bertentangan, yang menghalang laluan selanjutnya arus resapan. Akibatnya, keseimbangan dinamik diwujudkan di sempadan, dan selepas penutupan hlm- Dan n- kawasan tiada arus mengalir dalam litar. Pengagihan ketumpatan cas isipadu dalam peralihan ditunjukkan dalam Rajah 1.1, b. Dalam kes ini, di dalam kristal, di antara muka, medan elektrik sendiri timbul. , yang arahnya ditunjukkan dalam Rajah 1.1, a. Keamatannya adalah maksimum pada antara muka, di mana perubahan mendadak dalam tanda caj ruang berlaku. Dan kemudian semikonduktor adalah neutral.

Ketinggian halangan berpotensi ialah p-n peralihan ditentukan oleh beza keupayaan sentuhan n- Dan hlm-kawasan, yang, seterusnya, bergantung kepada kepekatan kekotoran di dalamnya:

, (1.1)

di manakah potensi haba, Nn Dan P hlm– kepekatan elektron dan lubang masuk n- Dan hlm-wilayah, n i– kepekatan pembawa cas dalam semikonduktor tidak terikat.

Perbezaan potensi sentuhan untuk germanium ialah 0.6...0.7V, dan untuk silikon ialah 0.9...1.2V. Ketinggian halangan berpotensi boleh diubah dengan menggunakan voltan luaran ke p-n peralihan. Sekiranya medan voltan luaran bertepatan dengan medan dalaman, maka ketinggian halangan berpotensi meningkat; dengan kekutuban terbalik voltan yang digunakan, ketinggian halangan berkurangan. Jika voltan yang digunakan adalah sama dengan beza keupayaan sentuhan, maka halangan potensi hilang sepenuhnya.

Oleh itu, jika voltan luaran mengurangkan halangan potensi, ia dipanggil terus, dan jika ia meningkatkannya, ia dipanggil terbalik.

Simbol dan ciri voltan arus (ciri volt-ampere) bagi diod ideal dibentangkan dalam Rajah 1.2.

Terminal yang mana potensi positif mesti digunakan dipanggil anod, terminal dengan potensi negatif dipanggil katod (Rajah 1.2, a). Diod yang ideal dalam arah pengalir mempunyai rintangan sifar. Dalam arah tidak konduktif terdapat rintangan besar yang tidak terhingga (Rajah 1.2, b).

Rajah 1.2 Simbol (a) dan ciri voltan arus

ciri-ciri diod ideal (b)

Dalam semikonduktor R-taip pembawa utama adalah lubang. Kekonduksian elektrik lubang dicipta dengan memperkenalkan atom kekotoran penerima. Valensinya kurang satu daripada atom semikonduktor. Dalam kes ini, atom kekotoran menangkap elektron semikonduktor dan mencipta lubang - pembawa cas mudah alih.

Dalam semikonduktor n-taip pembawa utama ialah elektron. Kekonduksian elektronik dicipta dengan memperkenalkan atom kekotoran penderma. Valensi mereka adalah satu lebih besar daripada atom semikonduktor. Membentuk ikatan kovalen dengan atom semikonduktor, atom kekotoran tidak menggunakan 1 elektron, yang menjadi bebas. Atom-atom itu sendiri menjadi ion positif yang tidak bergerak.

Jika sumber voltan disambungkan ke terminal luaran diod ke arah hadapan, maka sumber voltan ini akan tercipta р-n peralihan, medan elektrik yang diarahkan ke arah dalam. Medan yang terhasil akan berkurangan. Dalam kes ini, proses penyebaran akan bermula. Arus terus akan mengalir dalam litar diod. Bagaimana nilai yang lebih besar voltan luaran, semakin kecil medan dalaman, semakin sempit lapisan penyekat, semakin besar arus hadapan. Dengan peningkatan voltan luaran, arus hadapan meningkat secara eksponen (Rajah 1.3). Apabila voltan luaran tertentu dicapai, lebar lapisan penghalang akan berkurangan kepada sifar. Arus hadapan akan dihadkan hanya oleh rintangan isipadu dan akan meningkat secara linear dengan peningkatan voltan.

Rajah.1.3. Ciri I-V bagi diod sebenar

Dalam kes ini, penurunan voltan merentasi diod adalah penurunan voltan langsung. Nilainya kecil dan bergantung pada bahan:

germanium Ge: U pr= (0.3 - 0.4) V;

silikon Si: U pr=(0.6 - 1) V.

Jika anda menukar kekutuban voltan luaran, maka medan elektrik sumber ini akan bertepatan dengan yang dalaman. Medan yang terhasil akan meningkat, lebar lapisan penyekat akan meningkat, dan arus akan meningkat secara idealnya tidak akan mengalir ke arah yang bertentangan; tetapi oleh kerana semikonduktor tidak sesuai dan, sebagai tambahan kepada pembawa mudah alih utama, ia mengandungi sejumlah kecil pembawa minoriti, akibatnya, arus terbalik berlaku. Nilainya bergantung pada kepekatan pembawa minoriti dan biasanya berjulat dari unit hingga berpuluh-puluh mikroampere.

Kepekatan pembawa minoriti adalah kurang daripada kepekatan pembawa majoriti, jadi arus terbalik adalah kecil. Magnitud arus ini tidak bergantung pada magnitud voltan terbalik. Silikon mempunyai arus terbalik yang beberapa urutan magnitud kurang daripada germanium, tetapi diod silikon mempunyai penurunan voltan ke hadapan yang lebih tinggi. Kepekatan pembawa minoriti bergantung pada suhu dan apabila ia meningkat, arus songsang meningkat, oleh itu ia dipanggil arus terma I o:

I o (T)=I o (T o)e a D T,

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

Terdapat formula anggaran

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

di mana T *- kenaikan suhu, yang sepadan dengan penggandaan arus haba,

T*Ge=8...10 o C; T*Si=6 o C.

Ungkapan analitikal untuk ciri voltan arus r-p peralihan mempunyai bentuk:

, (1.2)

di mana U- digunakan voltan luaran.

Untuk suhu 20 o C φ t =0.025V.

Dengan peningkatan suhu akibat peningkatan arus haba dan penurunan dalam halangan potensi, penurunan rintangan lapisan semikonduktor, cawangan langsung ciri voltan arus beralih di rantau arus tinggi. Rintangan isipadu semikonduktor berkurangan n Dan R. Akibatnya, penurunan voltan hadapan akan menjadi kurang. Dengan peningkatan suhu, disebabkan oleh penurunan dalam perbezaan antara kepekatan pembawa utama dan minoriti, halangan potensi lapisan penghalang berkurangan, yang juga akan membawa kepada penurunan. U pr, kerana lapisan penghalang akan hilang pada voltan yang lebih rendah.

Voltan hadapan yang berbeza akan sepadan dengan arus yang sama (Rajah 1.4), membentuk perbezaan DU,

di mana e- pekali suhu voltan.

Jika arus melalui diod adalah malar, penurunan voltan merentasi diod akan berkurangan. Apabila suhu meningkat sebanyak satu darjah, penurunan voltan hadapan berkurangan sebanyak 2 mV.

nasi. 1.4. CVC r-p peralihan pada Rajah. 1.5. CVC germanium dan

suhu yang berbeza bagi diod silikon

Dengan peningkatan suhu, cawangan terbalik bagi ciri voltan semasa beralih ke bawah (Rajah 1.4). Julat suhu operasi untuk diod germanium ialah 80 o C, untuk diod silikon 150 o C.

Ciri-ciri voltan arus germanium dan diod silikon ditunjukkan dalam Rajah 1.5.

Rintangan pembezaan r-p peralihan (Rajah 1.6):

(1.3)

Dengan peningkatan nilai semasa r d- berkurangan.

Rajah 1.6 Definisi pembezaan

rintangan diod

Rintangan DC r-p peralihan: .

Rintangan arus terus dicirikan oleh pekali cerun garis lurus yang dilukis dari asal ke titik ini. Rintangan juga bergantung pada nilai semasa: apabila saya meningkat, rintangan berkurangan . R Ge< R Si .

Ciri voltan semasa diod semikonduktor agak berbeza daripada ciri voltan semasa diod ideal. Oleh itu, disebabkan kebocoran arus di sepanjang permukaan kristal, arus terbalik sebenar akan lebih besar daripada arus haba. Oleh itu, rintangan songsang diod sebenar adalah kurang daripada rintangan yang ideal r-p peralihan.

Penurunan voltan ke hadapan adalah lebih besar daripada ideal r-p peralihan. Ini berlaku kerana penurunan voltan merentasi lapisan semikonduktor R Dan P menaip. Selain itu, diod sebenar mempunyai salah satu lapisan R atau P mempunyai kepekatan pembawa utama yang lebih tinggi daripada yang lain. Lapisan dengan kepekatan tinggi Pembawa utama dipanggil pemancar dan mempunyai sedikit rintangan. Lapisan dengan kepekatan pembawa utama yang lebih rendah dipanggil asas. Ia mempunyai rintangan yang agak ketara.

Peningkatan penurunan voltan hadapan berlaku disebabkan oleh penurunan voltan merentasi rintangan tapak.

Untuk mengira litar elektronik yang mengandungi diod semikonduktor, ia menjadi perlu untuk mewakilinya dalam bentuk litar setara. Litar setara bagi diod semikonduktor dengan penghampiran linear sekeping bagi ciri voltan arusnya ditunjukkan dalam Rajah 1.7. Rajah 1.8 menunjukkan litar setara menggunakan ciri I-V bagi diod ideal dan ciri I-V bagi ideal p-n peralihan ( r d- rintangan diod, r y– rintangan kebocoran diod).

Rajah.1.7. Pengiraan ciri voltan arus diod

segmen linear

Rajah 1.8. Menggantikan diod menggunakan ciri voltan arus

diod ideal (a) dan ciri I-V ideal p-n peralihan (b)

Pengendalian diod dalam litar dengan beban. Mari kita pertimbangkan rantai yang paling mudah dengan diod dan perintang, dan tindakan pada input voltan kutub bertentangannya (Rajah 1.9). Corak pengagihan voltan pada elemen litar ditentukan oleh kedudukan garis beban (Rajah 1.10) - pada graf ciri voltan arus diod di sepanjang paksi voltan, dua titik diplot dalam kedua-dua arah, ditentukan +Um Dan –U m voltan bekalan, yang sepadan dengan voltan merentasi diod dengan beban litar pintas R n, dan arus dimendapkan pada paksi semasa dalam kedua-dua arah U m / R n Dan - U m / R n, yang sepadan dengan diod terpendek. Kedua-dua titik ini disambungkan secara berpasangan dengan garis lurus, yang dipanggil garis beban. Muatkan persimpangan garisan R n dalam sukuan pertama dan ketiga dengan cabang

Ciri-ciri voltan arus diod untuk setiap fasa voltan bekalan sepadan dengan

nasi. 1.9. Litar dengan diod dan Rajah. 1.10. Ciri I-V diod dengan beban

beban langsung

arus sama mereka (yang diperlukan apabila menyambungkannya secara bersiri) dan tentukan kedudukan titik operasi.

Separuh gelombang positif U>0, U=U m.

Kekutuban ini adalah lurus untuk diod. Arus dan voltan akan sentiasa memenuhi ciri voltan semasa:

,

Selain itu:

U d =U m - I d R H;

di I d =0, U d =U m;

di U d =0, I d =U m /R H;

dengan sambungan langsung U m >>U pr(Gamb. 1.10).

Pada permohonan praktikal U pr>0 (U pr- voltan hadapan) apabila diod dibuka. Apabila diod beroperasi dalam arah hadapan, voltan merentasinya adalah minimum - ( Ge-0.4 V; Si-0.7 V), dan boleh dianggap lebih kurang sifar. Arus akan menjadi maksimum.

Rajah.1.11. Isyarat voltan dan arus dalam litar diod dengan beban

.

Separuh gelombang negatif U<0, U= -U m .

Ciri diod adalah sama, tetapi

U d = -U m -I d R H,;

I d =0, U d =U m;

U d =0, I d =U m /R H ; U H<

Kapasiti r-p peralihan. Apabila dihidupkan r-p peralihan ke arah yang bertentangan, serta pada voltan hadapan kecil di rantau ini r-p peralihan terdapat lapisan elektrik berganda: dalam R kawasan - negatif, dalam P kawasan - positif.

Pengumpulan cas tanpa pampasan dalam lapisan ini membawa kepada kemunculan kapasiti r-p peralihan, yang dipanggil kapasitans halangan. Ia mencirikan perubahan dalam cas terkumpul apabila voltan luaran berubah mengikut Rajah 1.12. C b =dQ/dU .

nasi. 1.12. Kebergantungan kapasiti penghalang

daripada voltan terbalik.

Kapasiti penghalang bergantung kepada dimensi geometri r-p peralihan. Dengan peningkatan U arr. lebar r-p peralihan meningkat dan kapasitansi berkurangan.

Apabila diod dihidupkan ke arah hadapan, kapasiti penghalang secara praktikal hilang, dan pengumpulan pembawa minoriti yang dipindahkan dari pemancar berlaku di lapisan asas diod. Pengumpulan cas ini juga mewujudkan kesan kemuatan, yang dipanggil kemuatan resapan. S d biasanya melebihi C b.

Kapasiti resapan ditentukan C d = dQ d / dU.

Kapasiti ini menjejaskan apabila diod beroperasi pada frekuensi tinggi. Kapasiti r-p peralihan dimasukkan dalam litar setara (Rajah 1.13).

nasi. 1.13. Litar setara diod dengan mengambil kira kemuatan:

a – kapasiti penghalang; b – kapasiti resapan

Proses sementara dalam diod. Apabila diod beroperasi dengan isyarat frekuensi tinggi (1-10 MHz), proses peralihan daripada keadaan tidak konduktor kepada keadaan konduktor dan sebaliknya tidak berlaku serta-merta disebabkan oleh kehadiran kapasitansi dalam peralihan, disebabkan oleh pengumpulan caj di dasar diod.

Rajah 1.14 menunjukkan gambarajah masa perubahan arus melalui diod dan beban semasa denyutan segi empat tepat voltan bekalan. Kapasitan dalam litar diod memesongkan tepi hadapan dan belakang denyutan, menyebabkan kemunculan masa resorpsi tp.

Apabila memilih diod untuk litar tertentu, seseorang mesti mengambil kira sifat frekuensi dan prestasinya.

nasi. 1.14. Proses sementara di

diod pensuisan:

t f1- tempoh kelebihan utama peralihan;

t f2- tempoh pinggir belakang;

tp- masa penyerapan.

Rosak r-p peralihan. Voltan terbalik diod tidak boleh meningkat kepada sebarang nilai. Pada voltan terbalik tertentu, ciri setiap jenis diod, peningkatan mendadak dalam arus terbalik berlaku. Kesan ini dipanggil pecahan peralihan. Terdapat beberapa jenis pecahan (Gamb. 1.15):

1- kerosakan runtuhan salji, apabila peningkatan arus terbalik berlaku akibat pendaraban salji bagi pembawa bukan majoriti;

nasi. 1.15. Ciri-ciri voltan semasa untuk pelbagai jenis kerosakan

Kerosakan 2-terowong, apabila mengatasi halangan berpotensi dan lapisan penyekat berlaku akibat kesan terowong.

Semasa runtuhan salji dan terowong, arus songsang meningkat pada voltan songsang malar.

Ini adalah kerosakan elektrik. Mereka boleh diterbalikkan. Selepas penyingkiran U arr. diod memulihkan sifatnya.

3- kerosakan haba, ia berlaku apabila jumlah haba yang dibebaskan masuk r-p peralihan, lebih banyak haba dikeluarkan oleh permukaan diod ke persekitaran. Lebih-lebih lagi, dengan peningkatan suhu r-p peralihan, kepekatan pembawa minoriti meningkat, yang membawa kepada peningkatan yang lebih besar dalam arus terbalik, yang seterusnya, membawa kepada peningkatan suhu, dsb. Oleh kerana untuk diod dibuat berdasarkan germanium, saya arr. lebih besar daripada untuk diod berasaskan silikon, maka untuk yang pertama kebarangkalian pecahan haba adalah lebih tinggi daripada untuk yang kedua. Oleh itu, suhu operasi maksimum untuk diod silikon adalah lebih tinggi (150 o...200 o C) daripada diod germanium (75 o...90 o C).

Dalam kes ini, pecahan r-p peralihan itu musnah.

Soalan kawalan.

1. Apakah diod semikonduktor? Ciri-ciri voltan semasa bagi diod yang ideal dan sebenar?

2. Apakah bahan yang digunakan untuk membuat diod semikonduktor? Bagaimana untuk mencipta kawasan satu atau satu lagi jenis kekonduksian dalam substrat semikonduktor?

3. Apakah medan elektrik sendiri dalam hablur di sempadan p-n- peralihan? Bagaimanakah ia berubah apabila voltan luaran digunakan?

4. Apakah yang menerangkan kesan pengaliran sehala p-n- peralihan dalam semikonduktor?

5. Ciri-ciri voltan semasa p-n-peralihan untuk diod germanium dan silikon apabila suhu luaran berubah?

6. Bagaimanakah rintangan pembezaan diod ditentukan?

7. Bagaimanakah ciri-ciri voltan arus bagi diod dengan garis beban dibina?

8. Terangkan mekanisme pembentukan kemuatan penghalang dan resapan diod? Bagaimanakah ia mempengaruhi pengendalian diod dalam litar arus ulang alik?

Kuliah 2. Jenis khas

Pada masa ini, tiga kumpulan kaedah utama digunakan untuk membuat simpang dalam galium arsenide: resapan, epitaksi fasa gas, dan epitaksi fasa cecair. Kaedah gabungan, yang sebelum ini digunakan dalam teknologi semikonduktor, tidak lagi digunakan dalam teknologi PCB, kerana ia tidak menghasilkan persimpangan lubang elektron berukir dan rata dan oleh itu tidak sesuai untuk pembuatan diod laser. Oleh itu, kini kaedah utama untuk pembuatan diod PCG ialah kaedah resapan dan epitaksi.

8.3.1. Kaedah resapan

Teori resapan adalah berdasarkan andaian bahawa atom bendasing tidak berinteraksi antara satu sama lain semasa proses resapan, dan kadar resapan tidak bergantung kepada kepekatannya. Berdasarkan andaian ini, persamaan asas resapan - hukum Fick - diperolehi. Undang-undang pertama Fick mentakrifkan fluks resapan sebagai kuantiti yang berkadar dengan kecerunan kepekatan (di bawah keadaan seisoterma dengan resapan satu dimensi)

di manakah kepekatan atom meresap; x - koordinat jarak; pekali resapan.

Hukum kedua Fick menentukan kadar resapan

Berdasarkan undang-undang ini, adalah mungkin untuk mencari taburan kepekatan kekotoran dalam sampel separa terhad. Bagi kes apabila kepekatan awal dalam isipadu hablur hampir kepada sifar, dan kepekatan permukaan adalah dan kekal malar, kepekatan kekotoran selepas masa x pada kedalaman x adalah sama dengan

Jika resapan berlaku daripada lapisan nipis dengan ketebalan kepekatan kekotoran per unit

permukaan, maka taburan kekotoran dinyatakan dengan persamaan

Penentuan profil kepekatan taburan kekotoran dalam sampel dijalankan sama ada dengan kaedah pengesan radioaktif atau dengan kaedah kuar untuk mengukur "penyebaran rintangan" di sepanjang bahagian serong sampel.

Kebergantungan pekali resapan pada suhu mempunyai bentuk

Walau bagaimanapun, pergantungan ini tidak selalu dikekalkan dalam semikonduktor binari disebabkan oleh penyelewengan daripada hukum Fick, kerana kekotoran berinteraksi dengan salah satu komponen sebatian atau dengan kekosongan yang terbentuk akibat penyejatan komponen yang tidak menentu semasa pemisahan sebatian. Kadangkala, hasil daripada interaksi bendasing dengan komponen sebatian, sebatian baru terbentuk yang lebih stabil daripada semikonduktor binari asal. Dalam sebatian jenis ini, resapan berlaku melalui pergerakan atom di sepanjang tapak subkisi unsur kumpulan III dan V. Tenaga pengaktifan resapan bergantung pada jenis sublattice di sepanjang nod difusinya berlaku. Walau bagaimanapun, mekanisme ini bukan satu-satunya; Contohnya, penyebaran bendasing di sepanjang celahan adalah mungkin. Penyebaran pelbagai kekotoran ke dalam semikonduktor binari dibincangkan dalam ulasan. Data mengenai resapan bendasing ke dalam galium arsenida diberikan dalam jadual. 8.3.

Pembuatan simpang secara resapan boleh dilakukan dengan resapan kedua-dua penderma ke dalam jenis galium arsenide dan penerima ke dalam bahan jenis. Oleh kerana resapan penderma berlaku sangat perlahan, resapan penerima biasanya dijalankan. Kekotoran pengaloian yang paling biasa digunakan untuk pembuatan suntikan ialah penerima - zink dan penderma - telurium. Industri ini menghasilkan kristal tunggal galium arsenide yang bertujuan untuk penghasilan PKG, didop dengan telurium kepada kepekatan ini

(klik untuk melihat imbasan)

kepekatan, seperti yang ditunjukkan di atas, adalah optimum. Persimpangan lubang elektron dalam plat yang dipotong daripada kristal tunggal ini dihasilkan oleh penyebaran zink, yang memungkinkan, pada suhu yang tidak terlalu tinggi, untuk menghasilkan persimpangan dengan cepat pada sebarang kedalaman yang dikehendaki.

Plat gallium arsenide yang tiba untuk penyebaran mesti disediakan khas. Pertama sekali, satah dengan indeks (100) dikenal pasti dalam kristal menggunakan sinar-X. Kristal itu kemudiannya dipotong menjadi wafer selari dengan satah kristalografi ini. Pilihan satah ditentukan oleh pertimbangan berikut. Hablur sebatian mudah pecah di sepanjang satah (110). Dalam struktur padu sphalerit, ciri sebatian ini, terdapat tiga satah (110), berserenjang dengan satah (111), dan dua serenjang (100). Jika satah (111) dipilih, maka diod PKG segi tiga boleh dihasilkan.

Diod dengan resonator Fabry-Perot tipikal mudah dibuat daripada plat yang dipotong selari dengan satah (100) dengan belahan berganda mudah di sepanjang (110). Pesawat resonator ini mestilah berserenjang dengan ketat dengan persimpangan masa depan, kerana ketebalan lapisan aktif diod hanya 1-2 mikron. Akibatnya, penyimpangan yang tidak ketara pada satah resonator boleh menyebabkan sinaran keluar dari kawasan aktif. Untuk memenuhi keperluan ini, satu sisi plat dikisar dengan serbuk dengan saiz butiran 5 μm berserenjang dengan satah terbelah sebelum penyebaran. Permukaan tanah plat digilap secara manual pada kaca dengan serbuk penggilap (dengan saiz butiran pertama 1 μm dan kemudian 0.3 μm). Kadang-kadang penggilap kimia juga digunakan.

Proses penyebaran zink ke dalam plat gallium arsenide yang digilap dijalankan sama ada dalam isipadu tertutup (dalam ampul tertutup) atau dalam sistem aliran. Walau bagaimanapun, lebih kerap, sistem tertutup digunakan. Untuk melakukan ini, ampul mula-mula dipam keluar ke tekanan baki kira-kira mm Hg. Seni. Sama ada unsur zink atau sebatiannya diambil sebagai sumber zink. Sebatian terakhir ialah campuran nisbah fasa pepejal

yang dipilih bergantung kepada keadaan suhu resapan. Jika unsur zink digunakan sebagai sumber kekotoran, maka unsur arsenik juga diletakkan di dalam ampul dalam nisbah atau Seperti yang akan ditunjukkan di bawah, tekanan arsenik dalam ampul adalah sangat penting dalam proses ini.

Terdapat tiga varian proses resapan yang digunakan dalam teknologi untuk membentuk peralihan.

1. Resapan zink satu langkah dalam suasana arsenik ke dalam plat (100) atau (111) dijalankan pada suhu Zink dan arsenik dimuatkan ke dalam ampul dalam nisbah jumlah kepekatan mereka dalam fasa gas sepatutnya Pada akhir proses, ampul disejukkan secara mendadak dengan air. Tempoh proses dipilih bergantung pada kedalaman peralihan yang dikehendaki.

Hasil daripada penyebaran tiga jam di bawah keadaan ini, peralihan terbentuk pada kedalaman kira-kira 20 μm.

2. Resapan zink diikuti dengan penyepuhlindapan dalam suasana arsenik. Proses resapan adalah serupa dengan yang diterangkan di atas, tetapi pada akhir proses resapan, plat diletakkan dalam ampul lain, di mana arsenik juga diletakkan dalam jumlah. Ampul dengan beban dipam keluar ke mm Hg. Seni. dan disimpan dalam ketuhar pada suhu 900 °C untuk satu tempoh masa. Penyepuhlindapan membantu mengembangkan kawasan terkompensasi, meratakan lapisan peralihan aktif dan mencipta peralihan yang lancar dan tidak tajam. Keadaan optimum adalah seperti berikut: Peringkat I (penyebaran) - nisbah kepekatan zink suhu tempoh peringkat I Peringkat II (penyepuhlindapan) - suhu 900 atau - tempoh kepekatan arsenik peringkat II Kedalaman resapan di bawah keadaan ini adalah kira-kira 8 mikron.

3. Resapan tiga peringkat. Pada proses resapan dua peringkat yang diterangkan di atas, peringkat ketiga ditambah - resapan cetek zink untuk membentuk lapisan

Pada akhir proses resapan dan penyejukan ampul, plat galium arsenide dikeluarkan dan pinggirnya dibelah untuk mengenal pasti peralihan, menentukan kedalaman kejadiannya dan melihat secara visual ciri-cirinya: kesamaan, lebar, dan lain-lain. kepada

untuk membuat peralihan kelihatan dengan jelas, cip terukir dalam larutan atau setitik larutan digunakan pada permukaan sumbing dan dibiarkan selama 15 - 30 s, selepas itu plat dibilas dengan air suling. Dua garisan boleh dilihat pada permukaan terukir: garis bawah mentakrifkan sempadan peralihan, dan garis atas adalah tempat degenerasi bahan -jenis bermula.

Mekanisme resapan zink ke dalam galium arsenide. Taburan kepekatan zink dalam gallium arsenide hasil daripada resapan adalah anomali. Untuk resapan zink pada suhu di bawah, ia boleh diterangkan oleh fungsi ralat Gaussian, iaitu persamaan (8.4) dan (8.5); dalam kes ini, nilai pekali resapan boleh dikira dengan mengambil kira parameter yang diberikan dalam jadual. 8.3. Untuk suhu resapan melebihi 800 °C, taburan zink dalam galium arsenide tidak mematuhi corak klasik ini. Contoh biasa taburan zink anomali ditunjukkan dalam Rajah.

8.13 untuk resapan pada suhu untuk

Fenomena anomali semasa penyebaran zink ke dalam gallium arsenide adalah subjek banyak kajian. Fakta berikut telah diperhatikan.

nasi. 8.13. Profil taburan kepekatan zink dalam plat galium arseide untuk pelbagai kepekatan permukaan pada suhu resapan dan tempoh kira-kira

Pada suhu resapan yang lebih tinggi, pekali resapan zink sangat bergantung pada kepekatan arsenik, dan keterlarutan zink dalam galium arsenida meningkat walaupun dengan tiga urutan magnitud (dari 1017 hingga) Kehadiran kecacatan, ketidaksempurnaan struktur dan kehelan mempercepatkan resapan dan memburukkan kerataan peralihan. Kajian tentang resapan di bawah keadaan kepekatan isolasi wajar diberi perhatian khusus , iaitu jika tiada kecerunan kepekatan zink pada sampel.

Atom zink boleh terletak di galium arsenide sama ada di tapak galium atau di celahan.Oleh itu, resapan zink boleh berlaku di sepanjang kekosongan galium dan celahan. Hukum Fick untuk mekanisme resapan berganda tersebut boleh dinyatakan dengan persamaan

di mana dan ialah pekali resapan zink di sepanjang celahan dan mengikut mekanisme penggantian galium.

Persamaan ini boleh dipermudahkan dengan memperkenalkan pekali resapan berkesan:

Keputusan resapan isoconcentration menunjukkan bahawa pada kepekatan zink yang tinggi, resapan sepanjang celahan mendominasi, i.e.

Akibatnya, resapan isokonsentrasi boleh diterangkan dengan persamaan (8.4). Pekali resapan isoconcentration boleh dikira berdasarkan analisis kepekatan atom zink interstisial dan kekosongan galium. Kebergantungan kuatnya pada kepekatan zink ditunjukkan dalam Rajah. 8.14.

nasi. 8.14, Kebergantungan pekali resapan zink dalam galium arsenida pada kepekatan zink.

Walau bagaimanapun, di bawah keadaan teknologi sebenar pada suhu tinggi, kepekatan permukaan zink pada galium arsenide mencapai sedikit lebih tinggi daripada ketumpatan wap zink dalam ampul. Dengan ketiadaan tekanan arsenik dalam ampul, taburan zink dalam sampel tidak dapat dihasilkan semula, dan

Peralihan adalah tidak sekata, terutamanya pada kepekatan zink yang rendah. Pengenalan arsenik ke dalam ampul membetulkan keadaan dengan ketara. Kebergantungan pekali resapan pada kepekatan zink menurun dengan ketara, resapan berjalan dengan lebih teratur, dan peralihan adalah lancar.

Perhatian harus diberikan kepada fakta bahawa fenomena anomali dalam penyebaran zink berlaku pada suhu di atas suhu di mana gallium arsenide mula terurai.Oleh itu, tekanan arsenik mesti dicipta dalam ampul sekurang-kurangnya sama dengan tekanan disosiasi gallium arsenide pada suhu tertentu. Di samping itu, oleh kerana zink membentuk dua sebatian lebur secara kongruen dengan arsenik, pembentukannya boleh dijangka pada kedua-dua sumber zink dan pada permukaan galium arsenida. Proses-proses ini, serta pemisahan galium arsenide, boleh membawa kepada pembebasan galium cecair dan pembentukan larutan galium zink dan galium arsenida, mengakibatkan gangguan permukaan setempat yang memesongkan lagi profil dan peralihan resapan. Untuk menghapuskan gangguan permukaan ini dan mendekatkan resapan kepada rejim isoconcentration, zink kadang-kadang meresap melalui filem yang dimendapkan pada galium arsenide, atau daripada filem yang didop dengan zink.

Syarat untuk mencapai resapan zink yang boleh dihasilkan semula ke dalam galium arsenide boleh ditentukan dengan berdasarkan pertimbangan rajah fasa keseimbangan gallium-arsenik-zink (Rajah 8.15).

Jika hanya unsur zink digunakan sebagai diffusant, maka arsenik akan dipindahkan dari galium arsenide ke sumber zink sehingga fasa keseimbangan zink arsenida terbentuk pada kedua-dua permukaan. Sememangnya, ini akan membawa kepada pembebasan galium cecair, kerosakan pada permukaan plat dan herotan bahagian hadapan resapan.

Jika sumbernya adalah zink dan arsenik atau zink arsenida, maka segala-galanya bergantung pada jumlah diffusant, komposisi dan suhunya. Dengan sejumlah kecil diffusant (beberapa ampul), tiada fasa pekat terbentuk - semua zink dan arsenik berada dalam fasa wap. Gangguan peralihan permukaan daripada tempoh resapan dan suhu dinyatakan