Сильно зависит от концентрации примесей. Полупроводники, электрофизические свойства которых зависят от примесей других химических элементов, называются примесными полупроводниками. Примеси бывают двух видов донорной и акцепторной.
Донорной называется примесь, атомы которой дают полупроводнику свободные электроны, а получаемая в этом случае электропроводность, связанная с движением свободных электронов, - электронной . Полупроводник с электронной проводимостью называется электронным полупроводником и условно обозначается латинской буквой n - первой буквой слова «негативный».
Рассмотрим процесс образования электронной проводимости в полупроводнике. За основной материал полупроводника возьмём кремний (кремниевые полупроводники самые распространённые). У кремния (Si) на внешней орбите атома есть четыре электрона, которые обуславливают его электрофизические свойства (т.е. они перемещаясь под действием напряжения создают электрический ток). При введении в кремний атомов примеси мышьяка (As), у которого на внешней орбите пять электронов, четыре электрона вступают во взаимодействие с четырьмя электронами кремния, образуя ковалентную связь, а пятый электрон мышьяка остаётся свободным. При этих условиях он легко отделяется от атома и получает возможность перемещаться в веществе.
Акцепторной называется примесь, атомы которой принимают электроны от атомов основного полупроводника. Получаемая при этом электропроводность, связанная с перемещением положительных зарядов - дырок, называется дырочной. Полупроводник с дырочной электропроводностью называется дырочным полупроводником и условно обозначается латинской буквой p - первой буквой слова «позитивный».
Рассмотрим процесс образования дырочной проводимости. при введении в кремний атомов примеси индия (In), у которого на внешней орбите три электрона, они вступают в связь с тремя электронами кремния, но эта связь оказывается неполной: не хватает ещё одного электрона для связи с четвёртым электроном кремния. Атом примеси присоединяет к себе недостающий электрон от одного из расположенных поблизости атомов основного полупроводника, после чего он оказывается связанным со всеми четырьмя соседними атомами. Благодаря добавлению электрона он приобретает избыточный отрицательный заряд, то есть превращается в отрицательный ион. В тоже время атом полупроводника, от которого к атому примеси ушёл четвёртый электрон оказывается связанным с соседними атомами только тремя электронами. таким образом, возникает избыток положительного заряда и появляется незаполненная связь, то есть дырка .
Одним из важных свойств полупроводника является то, что при наличии дырок через него может проходить ток, даже если в нём нет свободных электронов. Это объясняется способностью дырок переходить с одного атома полупроводника на другой.
Перемещение «дырок» в полупроводнике
Вводя в часть полупроводника донорную примесь, а в другую часть - акцепторную, можно получить в нём области с электронной и дырочной проводимостью. На границе областей электронной и дырочной проводимости образуется так называемый электронно-дырочный переход.
P-N-переход
Рассмотрим процессы происходящий при прохождении тока через электронно-дырочный переход . Левый слой, обозначенный буквой n, имеет электронную проводимость. Ток в нём связан с перемещением свободных электронов, которые условно обозначены кружками со знаком «минус». Правый слой, обозначенный буквой p, обладает дырочной проводимостью. Ток в этом слое связан с перемещением дырок, которые на рисунке обозначены кружками с «плюсом».
Движение электронов и дырок в режиме прямой проводимости
Движение электронов и дырок в режиме обратной проводимости.
При соприкосновении полупроводников с различными типами проводимости электроны вследствие диффузии начнут переходить в p-область, а дырки - в n-область, в результате чего пограничный слой n-области заряжается положительно, а пограничный слой p-области - отрицательно. Между областями возникает электрическое поле, которое является как бы барьеров для основных носителей тока, благодаря чему в p-n переходе образуется область с пониженной концентрацией зарядов. Электрическое поле в p-n переходе называют потенциальным барьером, а p-n переход - запирающим слоем. Если направление внешнего электрического поля противоположно направлению поля p-n перехода («+» на p-области, «-» на n-области), то потенциальный барьер уменьшается, возрастает концентрация зарядов в p-n переходе, ширина и, следовательно, сопротивление перехода уменьшается. При изменении полярности источника внешнее электрическое поле совпадает с направлением поля p-n перехода, ширина и сопротивление перехода возрастает. Следовательно, p-n переход обладает вентильными свойствами.
Полупроводниковый диод
Диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и двумя выводами. В зависимости от основного назначения и явления используемого в p-n переходе различают несколько основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.
Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для каждого типа полупроводникового диода ВАХ имеет свой вид, но все они основываются на ВАХ плоскостного выпрямительного диода, которая имеет вид:
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода: 1 — прямая вольт-амперная характеристика; 2 — обратная вольт-амперная характеристика; 3 — область пробоя; 4 — прямолинейная аппроксимация прямой вольт-амперной характеристики; Uпор — пороговое напряжение; rдин — динамическое сопротивление; Uпроб — пробивное напряжение
Масштаб по оси ординат для отрицательных значений токов выбран во много раз более крупным, чем для положительных.
Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется лишь при пороговом напряжении (U пор), которое для германиевых диодов равно 0,1 - 0,2 В, а у кремниевых диодов равно 0,5 - 0,6 В. В области отрицательных значений напряжения на диоде, при уже сравнительно небольших напряжениях (U обр.) возникает обратный ток (І обр). Этот ток создается неосновными носителями: электронами р-области и дырками n-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела. С ростом обратного напряжения увеличение тока не происходит, так как количество неосновных носителей, оказывающихся в единицу времени на границе перехода, не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Обратный ток для кремниевых диодов на несколько порядков меньше, чем для германиевых. Дальнейшее увеличение обратного напряжения до напряжения пробоя (U проб) приводит к тому что электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, возникает эффект Зенера . Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода и дальнейшее увеличение тока приводит к тепловому пробою и разрушению p-n-перехода.
Обозначение и определение основных электрических параметров диодов
Обозначение полупроводникового диода
Как указывалось ранее диод в одну сторону ток проводит (т. е. представляет собой в идеале просто проводник с малым сопротивлением), в другую – нет (т. е. превращается в проводник с очень большим сопротивлением), одним словом, обладает односторонней проводимостью . Соответственно выводов у него всего два. Они как повелось ещё со времён ламповой техники, называются анодом (положительным выводом) и катодом (отрицательным).
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.
Выпрямительные диоды
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 используют для выпрямления больших токов . Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов . Для увеличения напряжения лавинного пробоя используют выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.
Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми . Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Кремниевые сплавные диоды используют 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. Арсенидгалиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.
Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:
- падение напряжения U пр на диоде при некотором значении прямого тока;
- обратный ток I обр при некотором значении обратного напряжения;
- среднее значение прямого тока I пр.ср. ;
- импульсное обратное напряжение U обр.и. ;
К динамическим параметрам диода относятся его временные и частотные характеристики. К таким параметрам относятся:
- время восстановления t вос обратного напряжения;
- время нарастания прямого тока I нар. ;
- предельная частота без снижения режимов диода f max .
Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.
Время обратного восстановления диода t вос 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. Во время переключения напряжение на диоде приобретает обратное значение. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде прекращается не мгновенно, а в течении времени t нар. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). Из этого следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямляемого напряжения.
При изменении температуры диода изменяются его параметры. Наиболее сильно от температуры зависят прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Приблизительно можно считать, что ТКН (температурный коэффициент напряжения) Uпр = -2 мВ/К, а обратный ток диодаимеет положительный коэффициент. Так при увеличении температуры на каждые 10 °С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых – 2,5 раз.
Диоды с барьером Шотки
Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки . В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с . В месте контакта возникают обеднённые 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: 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.
Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 1200 В. При этом напряжении прямое напряжение диода Шотки меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2…0,3 В.
Преимущества диода Шотки становятся особенно заметны при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4…0,6 В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5…1,0 В. При понижении обратного напряжения до 15 В прямое напряжение уменьшается до 0,3…0,4 В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10…15 %. Максимальная рабочая частота диодов Шотки превышает 200 кГц.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.
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
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
