Sie hängt stark von der Konzentration der Verunreinigungen ab. Halbleiter, deren elektrophysikalische Eigenschaften von Verunreinigungen anderer chemischer Elemente abhängen, werden als Fremdhalbleiter bezeichnet. Es gibt zwei Arten von Verunreinigungen, Donor und Akzeptor.

Spender eine Verunreinigung genannt wird, deren Atome dem Halbleiter freie Elektronen geben, und die dabei erhaltene elektrische Leitfähigkeit, verbunden mit der Bewegung freier Elektronen, ist elektronisch. Ein Halbleiter mit elektronischer Leitfähigkeit wird als elektronischer Halbleiter bezeichnet und üblicherweise mit dem lateinischen Buchstaben n bezeichnet - dem ersten Buchstaben des Wortes "negativ".

Betrachten wir den Prozess der Bildung der elektronischen Leitfähigkeit in einem Halbleiter. Wir nehmen Silizium als Haupthalbleitermaterial (Siliziumhalbleiter sind am gebräuchlichsten). Silizium (Si) hat vier Elektronen in der äußeren Umlaufbahn des Atoms, die seine elektrophysikalischen Eigenschaften bestimmen (das heißt, sie bewegen sich unter dem Einfluss von Spannung, um einen elektrischen Strom zu erzeugen). Wenn Verunreinigungsatome von Arsen (As) in Silizium eingeführt werden, das fünf Elektronen in der äußeren Umlaufbahn hat, interagieren vier Elektronen mit vier Elektronen von Silizium und bilden eine kovalente Bindung, und das fünfte Elektron von Arsen bleibt frei. Unter diesen Bedingungen löst es sich leicht vom Atom und erhält die Möglichkeit, sich in der Substanz zu bewegen.

Akzeptor Eine Verunreinigung wird eine Verunreinigung genannt, deren Atome Elektronen von den Atomen des Haupthalbleiters aufnehmen. Die resultierende elektrische Leitfähigkeit, die mit der Bewegung positiver Ladungen - Löcher - verbunden ist, wird als Loch bezeichnet. Ein Halbleiter mit elektrischer Lochleitfähigkeit wird als Lochhalbleiter bezeichnet und üblicherweise mit dem lateinischen Buchstaben p bezeichnet - dem ersten Buchstaben des Wortes "positiv".

Betrachten wir den Prozess der Bildung der Lochleitfähigkeit. Wenn Indium (In)-Fremdatome in Silizium eingeführt werden, das drei Elektronen in der äußeren Umlaufbahn hat, verbinden sie sich mit drei Elektronen von Silizium, aber diese Bindung erweist sich als unvollständig: Ein weiteres Elektron fehlt, um sich mit dem vierten Elektron von zu verbinden Silizium. Das Fremdatom bindet das fehlende Elektron von einem der nahegelegenen Atome des Haupthalbleiters, woraufhin es an alle vier Nachbaratome gebunden wird. Durch die Hinzufügung eines Elektrons erhält es eine überschüssige negative Ladung, dh es verwandelt sich in ein negatives Ion. Gleichzeitig stellt sich heraus, dass das Halbleiteratom, von dem das vierte Elektron für das Fremdatom übrig geblieben ist, nur durch drei Elektronen mit benachbarten Atomen verbunden ist. somit gibt es einen Überschuss an positiver Ladung und es erscheint eine ungefüllte Bindung, das heißt Loch.

Eine der wichtigen Eigenschaften eines Halbleiters ist, dass in Gegenwart von Löchern ein Strom durch ihn fließen kann, selbst wenn keine freien Elektronen darin sind. Dies liegt an der Fähigkeit von Löchern, sich von einem Halbleiteratom zum anderen zu bewegen.

Verschieben von "Löchern" in einem Halbleiter

Durch Einführen einer Donor-Störstelle in einen Teil eines Halbleiters und einer Akzeptor-Störstelle in einen anderen Teil ist es möglich, Bereiche mit Elektronen- und Lochleitfähigkeit darin zu erhalten. An der Grenze zwischen den Bereichen elektronischer und Lochleitung bildet sich ein sogenannter Elektron-Loch-Übergang aus.

P-N-Übergang

Betrachten Sie die Vorgänge, die beim Stromdurchgang ablaufen Elektron-Loch-Übergang. Die mit n bezeichnete linke Schicht ist elektronisch leitfähig. Der Strom darin ist mit der Bewegung freier Elektronen verbunden, die herkömmlicherweise durch Kreise mit einem Minuszeichen angezeigt werden. Die rechte Schicht, mit dem Buchstaben p bezeichnet, hat Lochleitfähigkeit. Der Strom in dieser Schicht ist mit der Bewegung von Löchern verbunden, die in der Abbildung durch Kreise mit einem „Plus“ gekennzeichnet sind.

Bewegung von Elektronen und Löchern im direkten Leitungsregime

Bewegung von Elektronen und Löchern im umgekehrten Leitungsregime.

Wenn Halbleiter mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten in Kontakt kommen, werden Elektronen durch Diffusion beginnt sich in den p-Bereich zu bewegen, und Löcher - in den n-Bereich, wodurch die Grenzschicht des n-Bereichs positiv und die Grenzschicht des p-Bereichs negativ geladen wird. Zwischen den Bereichen entsteht ein elektrisches Feld, das sozusagen Barrieren für die Hauptstromträger darstellt, wodurch im p-n-Übergang ein Bereich mit verringerter Ladungskonzentration gebildet wird. Das elektrische Feld im p-n-Übergang wird als Potentialbarriere bezeichnet, und der p-n-Übergang wird als Sperrschicht bezeichnet. Wenn die Richtung des externen elektrischen Felds der Feldrichtung des p-n-Übergangs entgegengesetzt ist ("+" im p-Bereich, "-" im n-Bereich), sinkt die Potentialbarriere, die Ladungskonzentration im p-n-Übergang nimmt die Breite und damit der Übergangswiderstand ab. Wenn die Polarität der Quelle geändert wird, fällt das externe elektrische Feld mit der Feldrichtung des p-n-Übergangs zusammen, die Breite und der Widerstand des Übergangs nehmen zu. Daher hat der p-n-Übergang Ventileigenschaften.

Halbleiterdiode

Diode ein elektrisch umwandelndes Halbleiterbauelement mit einem oder mehreren p-n-Übergängen und zwei Zuleitungen genannt. Abhängig vom Hauptzweck und dem im pn-Übergang verwendeten Phänomen gibt es mehrere Hauptfunktionstypen von Halbleiterdioden: Gleichrichter, Hochfrequenz, Impuls, Tunnel, Zenerdioden, Varicaps.

Basic Eigenschaften von Halbleiterdioden ist die Strom-Spannungs-Kennlinie (VAC). Für jede Art von Halbleiterdiode hat die IV-Charakteristik eine andere Form, aber sie basieren alle auf der IV-Charakteristik einer Sperrschicht-Gleichrichterdiode, die die Form hat:

Strom-Spannungs-Charakteristik (CVC) der Diode: 1 - Gleichstrom-Spannungs-Charakteristik; 2 - Sperrstrom-Spannungs-Charakteristik; 3 - Pannenbereich; 4 - geradlinige Annäherung der Gleichstrom-Spannungs-Kennlinie; Upor ist die Schwellenspannung; rdyn ist dynamischer Widerstand; Uprob - Durchbruchspannung

Die Skala entlang der y-Achse für negative Stromwerte ist um ein Vielfaches größer gewählt als für positive.

Die Strom-Spannungs-Kennlinien der Dioden gehen durch Null, aber ein ausreichend wahrnehmbarer Strom tritt nur dann auf Grenzspannung(U dann), die für Germaniumdioden 0,1 - 0,2 V und für Siliziumdioden 0,5 - 0,6 V beträgt. Im Bereich negativer Spannungswerte an der Diode, bei bereits relativ niedrigen Spannungen (U arr. ) tritt ein Rückstrom(Ich arr). Dieser Strom wird durch Minoritätsträger erzeugt: Elektronen des p-Bereichs und Löcher des n-Bereichs, deren Übergang von einem Bereich zum anderen durch eine Potentialbarriere in der Nähe der Grenzfläche erleichtert wird. Bei einer Erhöhung der Sperrspannung tritt keine Stromerhöhung auf, da die Anzahl der pro Zeiteinheit an der Übergangsgrenze auftretenden Minoritätsträger nicht von der von außen angelegten Spannung abhängt, sofern diese nicht sehr groß ist. Der Sperrstrom für Siliziumdioden ist um mehrere Größenordnungen geringer als für Germaniumdioden. Weitere Erhöhung der Sperrspannung auf Die Spannung unterbrechen(U Proben) führt dazu, dass Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband übergehen, dort steht Zener-Effekt. In diesem Fall steigt der Sperrstrom stark an, was zu einer Erwärmung der Diode führt und eine weitere Stromerhöhung zu einem thermischen Durchbruch und einer Zerstörung des p-n-Übergangs führt.

Bezeichnung und Definition der wichtigsten elektrischen Parameter von Dioden

Bezeichnung der Halbleiterdiode

Wie bereits erwähnt, leitet die Diode Strom in eine Richtung (d. h. sie ist idealerweise nur ein Leiter mit niedrigem Widerstand), in die andere Richtung nicht (d. h. sie wird zu einem Leiter mit sehr hohem Widerstand), mit einem Wort , es hat einseitige Leitung. Dementsprechend hat er nur zwei Schlussfolgerungen. Sie werden, wie es seit der Zeit der Lampentechnik üblich ist, genannt Anode(positives Fazit) und Kathode(Negativ).

Alle Halbleiterdioden können in zwei Gruppen unterteilt werden: Gleichrichter und Spezial. Gleichrichterdioden, wie der Name schon sagt, dienen zur Gleichrichtung von Wechselstrom. Je nach Frequenz und Form der Wechselspannung werden sie in Hochfrequenz, Niederfrequenz und Impuls unterteilt. Speziell Arten von Halbleiterdioden nutzen unterschiedliche Eigenschaften von p-n-Übergängen; Durchbruchphänomen, Sperrkapazität, Vorhandensein von Bereichen mit negativem Widerstand usw.

Gleichrichterdioden

Strukturell werden Gleichrichterdioden in Planar- und Punktdioden und je nach Fertigungstechnologie in Legierungs-, Diffusions- und Epitaxiedioden unterteilt. Planare Dioden werden aufgrund der großen Fläche des p-n-Übergangs zur Gleichrichtung verwendet hohe Ströme. Punktdioden haben eine kleine Übergangsfläche und sind dementsprechend für die Gleichrichtung ausgelegt kleine Strömungen. Um die Lawinendurchbruchspannung zu erhöhen, werden Gleichrichterpole verwendet, die aus einer Reihe von in Reihe geschalteten Dioden bestehen.

Hochleistungsgleichrichterdioden genannt werden Energie. Das Material für solche Dioden ist üblicherweise Silizium oder Galliumarsenid. Dioden aus Siliziumlegierung werden zur Gleichrichtung von Wechselstrom mit einer Frequenz von bis zu 5 kHz verwendet. Siliziumdiffusionsdioden können bei höheren Frequenzen bis zu 100 kHz betrieben werden. Silizium-Epitaxiedioden mit einem Metallsubstrat (mit einer Schottky-Barriere) können bei Frequenzen bis zu 500 kHz verwendet werden. Galliumarsenid-Dioden können im Frequenzbereich bis zu mehreren MHz betrieben werden.

Leistungsdioden sind normalerweise durch eine Reihe statischer und dynamischer Parameter gekennzeichnet. Zu statische Parameter Dioden umfassen:

• Spannungsabfall U CR auf der Diode bei einem bestimmten Wert des Durchlassstroms;
• Rückstrom Ich komme auf einen bestimmten Wert der Sperrspannung;
• mittlere Bedeutung Gleichstrom Ich pr.cf. ;
• treibend Sperrspannung U Arr. ;

Zu dynamische Parameter Diode sind ihre Zeit- und Frequenzeigenschaften. Zu diesen Optionen gehören:

• Wiederherstellungszeit t Sperrspannung;
• Anstiegszeit Gleichstrom I aus. ;
• Grenzfrequenz ohne die Moden der Diode f max zu reduzieren.

Statische Parameter können entsprechend der Strom-Spannungs-Charakteristik der Diode eingestellt werden.

Die Rückwärtserholzeit der Diode tvos ist der Hauptparameter von Gleichrichterdioden, der ihre Trägheitseigenschaften charakterisiert. Sie wird ermittelt, indem die Diode von einem bestimmten Durchlassstrom I CR auf eine bestimmte Sperrspannung U arr geschaltet wird. Beim Schalten nimmt die Spannung an der Diode den entgegengesetzten Wert an. Aufgrund der Trägheit des Diffusionsprozesses stoppt der Strom in der Diode nicht sofort, sondern mit der Zeit t nar. Im Wesentlichen gibt es eine Resorption von Ladungen an der Grenze des p-n-Übergangs (dh eine Entladung mit äquivalenter Kapazität). Daraus folgt, dass die Verlustleistung in der Diode beim Einschalten, insbesondere beim Ausschalten, stark ansteigt. Somit, Verluste in der Diode steigen mit steigender Frequenz der gleichgerichteten Spannung.

Wenn sich die Temperatur der Diode ändert, ändern sich ihre Parameter. Die Flussspannung an der Diode und ihr Sperrstrom sind am stärksten von der Temperatur abhängig. Ungefähr können wir davon ausgehen, dass TKN (Spannungstemperaturkoeffizient) Upr \u003d -2 mV / K und der Sperrstrom der Diode einen positiven Koeffizienten hat. Bei einem Temperaturanstieg um jeweils 10 ° C erhöht sich der Sperrstrom von Germaniumdioden um das 2-fache und von Silizium um das 2,5-fache.

Dioden mit Schottky-Barriere

Zur Gleichrichtung von kleinen Spannungen mit hoher Frequenz sind weit verbreitet Schottky-Dioden. Bei diesen Dioden wird anstelle eines p-n-Übergangs ein Metalloberflächenkontakt verwendet. An der Kontaktstelle entstehen an Ladungsträgern verarmte Halbleiterschichten, sogenannte Sperrschichten. Dioden mit Schottky-Barriere unterscheiden sich von Dioden mit pn-Übergang in folgenden Punkten:

• mehr niedrig gerade Spannungsabfall;
• Greif zu niedriger Rückwärtsgang Stromspannung;
• mehr hoher Strom Lecks;
• fast kostenlos Rückgewinnung.

Zwei Haupteigenschaften machen diese Dioden unverzichtbar: niedriger Spannungsabfall in Durchlassrichtung und schnelle Erholzeit der Sperrspannung. Darüber hinaus bedeutet das Fehlen von kleineren Medien, die Wiederherstellungszeit erfordern, physische Mittel kein Verlust um die Diode selbst zu schalten.

Die maximale Spannung moderner Schottky-Dioden beträgt etwa 1200 V. Bei dieser Spannung ist die Durchlassspannung der Schottky-Diode um 0,2 ... 0,3 V kleiner als die Durchlassspannung von Dioden mit pn-Übergang.

Die Vorteile der Schottky-Diode machen sich besonders beim Gleichrichten kleiner Spannungen bemerkbar. Beispielsweise hat eine 45-Volt-Schottky-Diode eine Durchlassspannung von 0,4 ... 0,6 V, und bei gleichem Strom hat eine pn-Übergangsdiode einen Spannungsabfall von 0,5 ... 1,0 V. Wenn die Sperrspannung abfällt 15 V sinkt die Durchlassspannung auf 0,3 ... 0,4 V. Durch den Einsatz von Schottky-Dioden im Gleichrichter können die Verluste im Durchschnitt um etwa 10 ... 15 % reduziert werden. Die maximale Betriebsfrequenz von Schottky-Dioden übersteigt 200 kHz.

Theorie ist gut, aber ohne praktische Anwendung sind es nur Worte.

Gegenwärtig werden drei Hauptgruppen von Verfahren verwendet, um Übergänge in Galliumarsenid herzustellen: Diffusion, Dampfphasenepitaxie und Flüssigphasenepitaxie. Das früher in der Halbleitertechnik eingesetzte Fusing-Verfahren wird in der PCD-Technik nicht mehr eingesetzt, da es keinen geschnitzten und ebenen Elektron-Loch-Übergang erzeugt und daher für die Herstellung von Laserdioden ungeeignet ist. Daher sind die Hauptverfahren zur Herstellung von PCG-Dioden jetzt Diffusion und Epitaxie.

8.3.1. Diffusionsmethode

Die Diffusionstheorie basiert auf der Annahme, dass Fremdatome während der Diffusion nicht miteinander wechselwirken und die Diffusionsgeschwindigkeit nicht von ihrer Konzentration abhängt. Auf der Grundlage dieser Annahme werden die Grundgleichungen der Diffusion – die Fickschen Gesetze – hergeleitet. Das erste Ficksche Gesetz definiert den Diffusionsfluss als eine dem Konzentrationsgradienten proportionale Größe (unter isothermen Bedingungen mit eindimensionaler Diffusion)

wo ist die Konzentration der diffundierenden Atome; x - Entfernungskoordinate; Diffusionskoeffizient.

Das zweite Ficksche Gesetz bestimmt die Diffusionsrate

Basierend auf diesen Gesetzen kann man die Verteilung der Verunreinigungskonzentration in einer halbbegrenzten Probe finden. Für den Fall, dass die Anfangskonzentration in der Masse des Kristalls nahe Null ist, während die Oberflächenkonzentration konstant ist und bleibt, ist die Verunreinigungskonzentration nach der Zeit x in der Tiefe x gleich

Wenn eine Diffusion von einer dünnen Schicht mit einer Dicke der Verunreinigungskonzentration pro Einheit auftritt

Oberfläche, dann wird die Verunreinigungsverteilung durch die Gleichung ausgedrückt

Die Bestimmung der Konzentrationsprofile der Verteilung von Verunreinigungen in der Probe erfolgt entweder nach der Methode der radioaktiven Tracer oder nach der Sondenmethode zur Messung der "Widerstandsausbreitung" entlang des Schrägschnitts der Probe.

Die Temperaturabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten hat die Form

Diese Abhängigkeit bleibt jedoch bei binären Halbleitern aufgrund von Abweichungen vom Fickschen Gesetz nicht immer erhalten, da die Verunreinigung mit einer der Komponenten der Verbindung oder mit Leerstellen, die durch das Verdampfen einer flüchtigen Komponente während der Dissoziation der Verbindung gebildet werden, wechselwirkt. Manchmal entstehen durch die Wechselwirkung einer Verunreinigung mit den Bestandteilen einer Verbindung neue Verbindungen, die stabiler sind als der ursprüngliche binäre Halbleiter. Bei Verbindungen vom Diffusionstyp erfolgt die Diffusion durch die Bewegung von Atomen entlang der Stellen des Untergitters von Elementen der Gruppen III und V. Die Aktivierungsenergie der Diffusion hängt in diesem Fall von der Art des Untergitters ab, durch dessen Knoten die Diffusion stattfindet. Dieser Mechanismus ist jedoch nicht der einzige; möglich ist beispielsweise die Diffusion einer Verunreinigung entlang von Zwischenräumen. Die Diffusion verschiedener Verunreinigungen in binäre Halbleiter wird in Übersichten betrachtet. Daten zur Diffusion von Verunreinigungen in Galliumarsenid sind in der Tabelle angegeben. 8.3.

Die Herstellung von Übergängen durch Diffusion kann erfolgen, indem sowohl Donatoren in das Galliumarsenid vom -Typ als auch Akzeptoren in das Material vom -Typ diffundiert werden. Da die Diffusion von Donatoren sehr langsam ist, wird üblicherweise die Diffusion von Akzeptoren durchgeführt. Die am häufigsten für die Herstellung von Injektionsmitteln verwendeten Dotierstoffe sind der Akzeptor – Zink und der Donor – Tellur. Die Industrie produziert Einkristalle aus Galliumarsenid, die für die Herstellung von PKG bestimmt sind und mit Tellur in diesen Konzentrationen dotiert sind

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Konzentrationen, wie oben gezeigt, und sind optimal. Ein Elektron-Loch-Übergang in Platten, die aus diesen Einkristallen geschnitten werden, wird durch Zinkdiffusion erzeugt, was es erlaubt, bei nicht zu hohen Temperaturen schnell einen Übergang in jeder gewünschten Tiefe zu erzeugen.

Zur Diffusion gelieferte Galliumarsenidplatten müssen speziell präpariert werden. Zunächst wird durch das Röntgenverfahren eine Ebene mit dem Index (100) im Kristall freigelegt. Dann wird der Kristall parallel zu dieser kristallographischen Ebene in Platten geschnitten. Die Wahl der Ebene wird durch die folgenden Überlegungen bestimmt. Die Kristalle der Verbindungen werden leicht entlang der (110)-Ebene gespalten. In der für diese Verbindungen charakteristischen kubischen Struktur des Sphalerits gibt es drei (110)-Ebenen senkrecht zur (111)-Ebene und zwei senkrecht stehende (100)-Ebenen. Wenn die (111)-Ebene gewählt wird, können dreieckige PKG-Dioden hergestellt werden.

Dioden mit typischen Fabry-Perot-Resonatoren werden leicht aus Platten hergestellt, die parallel zur (100)-Ebene durch eine einfache doppelte Spaltung entlang (110) geschnitten werden. Diese Resonatorebenen müssen streng senkrecht zum späteren Übergang stehen, da die Dicke der aktiven Schicht der Diode nur 1-2 Mikrometer beträgt. Folglich können geringfügige Abweichungen der Resonatorebene zur Emission von Strahlung aus dem aktiven Bereich führen. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird eine Seite der Platte vor der Diffusion mit 5 µm Pulver senkrecht zu den gespaltenen Ebenen geschliffen. Die geschliffene Oberfläche der Platte wird auf Glas mit Polierpulver (Körnung erst 1 µm, dann 0,3 µm) manuell poliert. Manchmal wird auch chemisches Polieren verwendet.

Der Prozess der Zinkdiffusion in eine polierte Galliumarsenidplatte wird entweder in einem geschlossenen Volumen (in einer versiegelten Ampulle) oder in einem Durchflusssystem durchgeführt. Häufiger wird jedoch ein geschlossenes System verwendet. Dazu wird die Ampulle bis auf einen Restdruck von ca. mm Hg vorgepumpt. Kunst. Als Quelle für Zink werden entweder elementares Zink oder seine Verbindungen genommen, wobei letztere Verbindung ein Gemisch aus festen Phasen, dem Verhältnis

die in Abhängigkeit von den Temperaturbedingungen der Diffusion gewählt werden. Wird elementares Zink als Verunreinigungsquelle verwendet, so wird auch elementares Arsen im Verhältnis oder in die Ampulle gegeben. Wie weiter unten gezeigt wird, ist der Arsendruck in der Ampulle bei diesem Vorgang von großer Bedeutung.

Es gibt drei Varianten von Diffusionsprozessen, die in der Technologie verwendet werden, um Übergänge zu bilden.

1. Einstufige Zinkdiffusion in einer Arsenatmosphäre in einer Platte (100) oder (111) durchgeführt wird bei einer Temperatur von Zink und Arsen in die Ampulle geladen wird in dem Verhältnis ihrer Gesamtkonzentration in der Gasphase sollte sein Nach dem Ende des Prozesses, die Ampulle wird schnell mit Wasser gekühlt. Die Dauer des Vorgangs wird in Abhängigkeit von der gewünschten Tiefe des Übergangs gewählt.

Durch dreistündige Diffusion unter diesen Bedingungen bildet sich der Übergang in einer Tiefe von etwa 20 µm aus.

2. Zinkdiffusion, gefolgt von Glühen in einer Arsenatmosphäre. Der Diffusionsprozess ist dem oben beschriebenen ähnlich, aber am Ende des Diffusionsprozesses wird die Platte in eine andere Ampulle gegeben, in der auch eine gewisse Arsenmenge platziert wird.Die Ampulle mit der Ladung wird auf mm Hg ausgepumpt. Kunst. und zum Tempern in einem Ofen bei einer Temperatur von 900 °C gehalten wird, trägt zur Ausdehnung des kompensierten Bereichs, zur Ausrichtung der aktiven Übergangsschicht und zur Schaffung eines glatten, unscharfen Übergangs bei. Die optimalen Bedingungen sind wie folgt: Stufe I (Diffusion) – Temperatur Zinkkonzentrationsverhältnis Dauer Stufe I Stufe II (Glühen) – Temperatur 900 oder – Arsenkonzentration Dauer Stufe II Die Diffusionstiefe beträgt unter diesen Bedingungen etwa 8 Mikrometer.

3. Dreistufige Diffusion. Zu dem oben beschriebenen zweistufigen Diffusionsprozess wird eine dritte Stufe hinzugefügt – eine flache Diffusion von Zink, um eine Schicht zu bilden

Am Ende des Diffusionsprozesses und Abkühlens der Ampulle wird die Galliumarsenidplatte entfernt und ihre Kante abgeschnitten, um den Übergang zu identifizieren, die Tiefe ihres Auftretens zu bestimmen und ihre Eigenschaften visuell zu beobachten: Ebenheit, Breite usw. In der Reihenfolge zu

um den übergang deutlich sichtbar zu machen, wird der chip in einer lösung geätzt oder ein tropfen der lösung wird auf die chipoberfläche gegeben und 15–30 s gehalten, danach wird die platte mit destilliertem wasser gespült. Auf der geätzten Oberfläche sind zwei Linien zu sehen: Die untere Linie definiert die Übergangsgrenze, und die obere ist der Ort, an dem die Degeneration des β-Typ-Materials beginnt.

Mechanismus der Diffusion von Zink in Galliumarsenid. Die Verteilung der Zinkkonzentration in Galliumarsenid als Ergebnis der Diffusion ist anomal. Für die Zinkdiffusion bei Temperaturen darunter kann sie durch die Gaußsche Fehlerfunktion, d. h. die Gleichungen (8.4) und (8.5), beschrieben werden; In diesem Fall können die Werte der Diffusionskoeffizienten unter Berücksichtigung der in Tabelle angegebenen Parameter berechnet werden. 8.3. Bei Diffusionstemperaturen über 800°C folgt die Verteilung von Zink in Galliumarsenid nicht diesem klassischen Muster. Typische Beispiele einer anomalen Zinkverteilung sind in Abb. 1 dargestellt.

8.13 für Diffusion bei Temperatur während

Anomale Phänomene bei der Diffusion von Zink in Galliumarsenid sind Gegenstand zahlreicher Studien. Die folgenden Tatsachen wurden notiert.

Reis. 8.13. Zinkin einer Galliumarseidenplatte für verschiedene Oberflächenkonzentrationen bei einer Diffusionstemperatur und einer Dauer von etwa

Bei darüber liegenden Diffusionstemperaturen hängt der Diffusionskoeffizient von Zink stark von der Arsenkonzentration ab, und die Löslichkeit von Zink in Galliumarsenid steigt sogar um drei Größenordnungen (von 1017 auf , d Probe.

Zinkatome können sich in Galliumarsenid entweder an Stellen von Gallium oder an Zwischenräumen befinden, daher kann eine Zinkdiffusion entlang von Galliumleerstellen und entlang von Zwischenräumen auftreten. Das Ficksche Gesetz für einen solchen Doppeldiffusionsmechanismus kann durch die Gleichung ausgedrückt werden

wobei und die Diffusionskoeffizienten von Zink über Zwischenräume und über den Gallium-Substitutionsmechanismus sind.

Diese Gleichung lässt sich durch Einführung des effektiven Diffusionskoeffizienten vereinfachen:

Die Ergebnisse der Isokonzentrationsdiffusion zeigen, dass bei hohen Zinkkonzentrationen die Diffusion entlang von Zwischenräumen überwiegt, d.h.

Folglich kann die Isokonzentrationsdiffusion auch durch Gleichung (8.4) beschrieben werden. Der Isokonkann basierend auf einer Analyse der Konzentration von interstitiellen Zinkatomen und Galliumleerstellen berechnet werden. Seine starke Abhängigkeit von der Zinkkonzentration ist in Abb. 1 dargestellt. 8.14.

Reis. 8.14, Abhängigkeit des Diffusionskoeffizienten von Zink in Galliumarsenid von der Zinkkonzentration.

Jedoch wurde unter realen technologischen Bedingungen bei hohen Temperaturen die Oberflächenkonzentration von Zink auf Galliumarsenid erreicht, die leicht die Zinkdampfdichte in der Ampulle überstieg. Ohne Arsendruck in der Ampulle war die Verteilung des Zinks in der Probe irreproduzierbar verzerrt, und

Der Übergang war ungleichmäßig, insbesondere bei niedrigen Zinkkonzentrationen. Die Einführung von Arsen in die Ampulle korrigierte die Situation wesentlich. Die Abhängigkeit des Diffusionskoeffizienten von der Zinkkonzentration nahm signifikant ab, die Diffusion verlief regelmäßiger und der Übergang erwies sich als glatt.

Es ist zu beachten, dass es bei Temperaturen oberhalb der Zersetzungstemperatur von Galliumarsenid zu anomalen Erscheinungen in der Diffusion von Zink kommt, weshalb in der Ampulle ein Arsendruck aufgebaut werden muss, der mindestens dem Dissoziationsdruck von entspricht Galliumarsenid bei einer bestimmten Temperatur. Da Zink außerdem mit Arsen zwei kongruent schmelzende Verbindungen bildet, ist deren Bildung sowohl auf der Zinkquelle als auch auf der Oberfläche von Galliumarsenid zu erwarten. Diese Prozesse sowie die Dissoziation von Galliumarsenid können zur Freisetzung von flüssigem Gallium und zur Bildung von Galliumlösungen von Zink und Galliumarsenid führen, wodurch lokale Oberflächenstörungen entstehen, die das Diffusionsprofil und den Übergang weiter verfälschen. Um diese Oberflächenstörungen zu eliminieren und die Diffusion näher an den Isokonzentrationsbereich zu bringen, wird Zink manchmal durch einen auf Galliumarsenid abgeschiedenen Film oder aus einem mit Zink dotierten Film diffundiert.

Die Bedingungen zum Erreichen einer reproduzierbaren Diffusion von Zink in Galliumarsenid können durch nβ basierend auf der Betrachtung von Phasengleichgewichtsdiagrammen von Gallium-Arsen-Zink (Abb. 8.15).

Wenn nur elementares Zink als Diffusionsmittel verwendet wird, wird Arsen von Galliumarsenid auf die Zinkquelle übertragen, bis sich auf beiden Oberflächen Gleichgewichtsphasen von Zinkarseniden ausbilden. Dies führt natürlich zur Freisetzung von flüssigem Gallium, Beschädigung der Waferoberfläche und Verzerrung der Diffusionsfront.

Wenn die Quelle Zink und Arsen oder Zinkarsenide sind, hängt alles von der Menge des Diffusors, seiner Zusammensetzung und Temperatur ab. Bei geringen Mengen Diffusionsmittel (mehrere Ampullen) bildet sich keine kondensierte Phase – alles Zink und Arsen befindet sich in der Dampfphase. Durch die Oberflächenstörungen wird der Übergang von Diffusionsdauer und Temperatur ausgedrückt

Der Kontakt zweier Halbleiter vom n- und p-Typ wird als p-n-Übergang oder n-p-Übergang bezeichnet. Die Diffusion beginnt als Ergebnis des Kontakts zwischen Halbleitern. Einige der Elektronen gehen zu den Löchern, und einige der Löcher gehen zur Seite der Elektronen.

Dadurch werden die Halbleiter aufgeladen: n ist positiv und p ist negativ. Nachdem das in der Übergangszone entstehende elektrische Feld beginnt, die Bewegung von Elektronen und Löchern zu behindern, hört die Diffusion auf.

Wenn ein pn-Übergang in Durchlassrichtung angeschlossen wird, leitet er Strom durch sich selbst. Wenn Sie den pn-Übergang in die entgegengesetzte Richtung anschließen, lässt er praktisch keinen Strom durch.

Das folgende Diagramm zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien der Vorwärts- und Rückwärtsverbindung eines pn-Übergangs.

Herstellung einer Halbleiterdiode

Die durchgezogene Linie zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie der direkten Verbindung des pn-Übergangs, und die gepunktete Linie zeigt die umgekehrte Verbindung.
Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass der pn-Übergang bezüglich des Stroms asymmetrisch ist, da der Übergangswiderstand in Durchlassrichtung viel geringer ist als in Sperrrichtung.

Die Eigenschaften des pn-Übergangs werden häufig zur Gleichrichtung von elektrischem Strom verwendet. Dazu wird eine Halbleiterdiode auf Basis eines pn-Übergangs hergestellt.

Typischerweise werden Germanium, Silizium, Selen und eine Reihe anderer Substanzen zur Herstellung von Halbleiterdioden verwendet. Betrachten wir den Prozess der Herstellung eines pn-Übergangs unter Verwendung von Germanium mit einem Halbleiter vom n-Typ genauer.

Ein solcher Übergang kann nicht durch mechanisches Verbinden zweier Halbleiter mit unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen erreicht werden. Dies ist nicht möglich, da der Spalt zwischen den Halbleitern zu groß ist.

Und wir brauchen die Dicke des pn-Übergangs, die nicht größer ist als die interatomaren Abstände. Um dies zu vermeiden, wird Indium in eine der Probenoberflächen eingeschmolzen.

Um eine Halbleiterdiode herzustellen, wird ein p-leitend dotierter Halbleiter, der Indiumatome enthält, auf eine hohe Temperatur erhitzt. Paare von n-Störstellen werden auf der Oberfläche des Kristalls abgelagert. Ferner werden sie aufgrund von Diffusion in den Kristall selbst eingeführt.

Auf der Oberfläche des Kristalls, der eine Leitfähigkeit vom p-Typ hat, wird ein Bereich mit einer Leitfähigkeit vom n-Typ gebildet. Wie das aussieht, zeigt die folgende Abbildung schematisch.

Um die Einwirkung von Luft und Licht auf den Kristall auszuschließen, wird er in ein versiegeltes Metallgehäuse gelegt. Auf Schaltplänen wird eine Diode mit dem folgenden speziellen Symbol gekennzeichnet.

Festkörpergleichrichter haben eine sehr hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer. Ihr Hauptnachteil ist, dass sie nur in einem kleinen Temperaturbereich arbeiten können: von -70 bis 125 Grad.

Halbleiterdioden

Eine Halbleiterdiode ist ein Element eines Stromkreises, das zwei Anschlüsse hat und einseitig elektrisch leitfähig ist. Alle Halbleiterdioden können in zwei Gruppen unterteilt werden: Gleichrichter und Spezial. Gleichrichterdioden dienen, wie der Name schon sagt, der Gleichrichtung von Wechselstrom. Je nach Frequenz und Form der Wechselspannung werden sie in Hochfrequenz, Niederfrequenz und Impuls unterteilt. Spezielle Arten von Halbleiterdioden nutzen unterschiedliche Eigenschaften PnÜbergänge: Durchbruchphänomen, Sperrkapazität, Vorhandensein von Abschnitten mit negativem Widerstand usw.

Strukturell werden Gleichrichterdioden in Planar- und Punktdioden und je nach Fertigungstechnologie in Legierungs-, Diffusions- und Epitaxiedioden unterteilt. Planare Dioden wegen großer Fläche Pn-Übergänge werden verwendet, um hohe Ströme gleichzurichten. Punktdioden haben eine kleine Übergangsfläche und sind dementsprechend darauf ausgelegt, kleine Ströme gleichzurichten. Um die Lawinendurchbruchspannung zu erhöhen, werden Gleichrichterpole verwendet, die aus einer Reihe von in Reihe geschalteten Dioden bestehen.

Hochleistungsgleichrichterdioden werden als Leistungsdioden bezeichnet. Das Material für solche Dioden ist üblicherweise Silizium oder Galliumarsenid. Germanium wird aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit des Rückstroms praktisch nicht verwendet. Siliziumlegierungsdioden werden verwendet, um Wechselstrom bis zu 5 kHz gleichzurichten. Siliziumdiffusionsdioden können bei erhöhten Frequenzen bis zu 100 kHz betrieben werden. Silizium-Epitaxiedioden mit einem Metallsubstrat (mit einer Schottky-Barriere) können bei Frequenzen bis zu 500 kHz verwendet werden. Galliumarsenid-Dioden können im Frequenzbereich bis zu mehreren MHz betrieben werden.

Der Betrieb von Dioden basiert auf der Verwendung eines Elektron-Loch-Übergangs - einer dünnen Materialschicht zwischen zwei Bereichen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit - n und p. Die Haupteigenschaft dieses Übergangs ist die asymmetrische elektrische Leitfähigkeit, bei der der Kristall Strom in eine Richtung durchlässt und nicht in die andere. Die Vorrichtung des Elektron-Loch-Übergangs ist in Abb. 1.1, a dargestellt. Ein Teil davon ist mit einer Donatorverunreinigung dotiert und hat eine elektronische Leitfähigkeit ( n-Region); der andere, dotiert mit einer Akzeptorverunreinigung, hat Lochleitfähigkeit ( p-Region). Die Ladungsträgerkonzentrationen in den Bereichen unterscheiden sich stark. Außerdem enthalten beide Teile eine geringe Konzentration an Minoritätsträgern.

Abb.1.1. PnÜberleitung:

a - Gerät, b - Raumladungen

Elektronen rein n- Bereiche neigen zum Eindringen p- Bereich, in dem die Elektronenkonzentration viel niedriger ist. Ebenso Löcher rein p-Bereiche verschoben werden n-Region. Durch die entgegenkommende Bewegung entgegengesetzter Ladungen entsteht ein sogenannter Diffusionsstrom. Elektronen und Löcher, die die Grenzfläche passiert haben, hinterlassen entgegengesetzte Ladungen, die den weiteren Durchgang des Diffusionsstroms verhindern. Dadurch stellt sich an der Grenze und beim Schließen ein dynamisches Gleichgewicht ein p- und n- Bereiche, in denen kein Strom fließt. Die Verteilung der Raumladungsdichte im Übergang ist in Abb. 1.1, b dargestellt. In diesem Fall gibt es im Inneren des Kristalls an der Grenzfläche ein eigenes elektrisches Feld E oct. , deren Richtung in Abb. 1.1, a. Seine Intensität ist an der Grenzfläche maximal, wo das Vorzeichen der Raumladung abrupt wechselt. Und dann ist der Halbleiter neutral.

Potenzielle Barrierenhöhe bei PnÜbergang wird durch die Kontaktpotentialdifferenz bestimmt n- und p-Bereiche, was wiederum von der Konzentration der darin enthaltenen Verunreinigungen abhängt:

, (1.1)

wo ist das thermische potenzial, N n und Pp sind die Konzentrationen von Elektronen und Löchern in n- und p-Bereiche, n ich ist die Ladungsträgerkonzentration im undotierten Halbleiter.

Die Kontaktpotentialdifferenz beträgt für Germanium 0,6 ... 0,7 V und für Silizium - 0,9 ... 1,2 V. Die Höhe der Potentialbarriere kann durch Anlegen einer externen Spannung verändert werden PnÜberleitung. Fällt das Feld der äußeren Spannung mit dem inneren zusammen, so steigt die Höhe der Potentialbarriere; wenn die angelegte Spannung umgekehrt wird, nimmt die Barrierenhöhe ab. Wenn die angelegte Spannung gleich der Kontaktpotentialdifferenz ist, dann verschwindet die Potentialbarriere vollständig.

Wenn also eine externe Spannung die Potentialbarriere senkt, wird sie als direkt bezeichnet, und wenn sie sie erhöht, wird sie als umgekehrt bezeichnet.

Das Symbol und die Strom-Spannungs-Kennlinie (CVC) einer idealen Diode sind in Abb. 1.2 dargestellt.

Der Ausgang, an dem ein positives Potential anliegen muss, heißt Anode, der Ausgang mit negativem Potential heißt Kathode (Abb. 1.2, a). Eine ideale Diode in Durchlassrichtung hat keinen Widerstand. In nicht leitender Richtung - ein unendlich großer Widerstand (Abb. 1.2, b).

Abb. 1.2 Symbol (a) und CVC

Charakteristik einer idealen Diode (b)

bei Halbleitern R-Typ, Löcher sind die Hauptträger. Die elektrische Lochleitfähigkeit wurde durch Einführen von Atomen einer Akzeptorverunreinigung erzeugt. Ihre Wertigkeit ist um eins geringer als die von Halbleiteratomen. In diesem Fall fangen Fremdatome Halbleiterelektronen ein und erzeugen Löcher - bewegliche Ladungsträger.

bei Halbleitern n-Typ sind die Hauptträger Elektronen. Elektronische elektrische Leitfähigkeit wird durch Einführen von Donor-Fremdatomen erzeugt. Ihre Wertigkeit ist um eins höher als die von Halbleiteratomen. Verunreinigungsatome bilden kovalente Bindungen mit Halbleiteratomen und verwenden kein Elektron, das frei wird. Die Atome selbst werden zu unbeweglichen positiven Ionen.

Wenn eine Spannungsquelle in Durchlassrichtung an die externen Anschlüsse der Diode angeschlossen wird, dann erzeugt diese Spannungsquelle in KreisÜbergang elektrisches Feld nach innen gerichtet. Das resultierende Feld wird kleiner. Dadurch wird der Diffusionsprozess gestartet. In der Diodenschaltung fließt ein Gleichstrom. Je größer der Wert der äußeren Spannung, desto kleiner der Wert des inneren Feldes, je schmaler die Sperrschicht, desto größer der Wert des Gleichstroms. Mit zunehmender äußerer Spannung steigt der Gleichstrom exponentiell an (Abb. 1.3). Wenn ein bestimmter Wert der äußeren Spannung erreicht ist, nimmt die Breite der Sperrschicht auf Null ab. Der Durchlassstrom wird nur durch den Durchgangswiderstand begrenzt und steigt mit steigender Spannung linear an.

Abb.1.3. IV-Charakteristik einer echten Diode

In diesem Fall ist der Spannungsabfall über der Diode ein Vorwärtsspannungsabfall. Sein Wert ist klein und hängt vom Material ab:

Germanium Ge: U pr= (0,3 - 0,4) V;

Silizium Si: U pr\u003d (0,6 - 1) V.

Wenn Sie die Polarität der externen Spannung ändern, fällt das elektrische Feld dieser Quelle mit dem internen zusammen. Das resultierende Feld wird zunehmen, die Breite der Sperrschicht wird zunehmen und der Strom wird idealerweise nicht in die entgegengesetzte Richtung fließen; Da Halbleiter jedoch nicht ideal sind und es neben den Hauptmobilträgern eine kleine Anzahl kleinerer gibt, entsteht dadurch ein Rückstrom. Sein Wert hängt von der Konzentration der Minoritätsträger ab und beträgt gewöhnlich einige bis einige zehn Mikroampere.

Die Konzentration von Minoritätsträgern ist geringer als die Konzentration von Hauptladungsträgern, daher ist der Sperrstrom klein. Die Größe dieses Stroms hängt nicht von der Größe der Sperrspannung ab. Der Sperrstrom von Silizium ist um mehrere Größenordnungen geringer als der von Germanium, aber Siliziumdioden haben einen höheren Durchlassspannungsabfall. Die Konzentration von Minoritätsträgern hängt von der Temperatur ab, und mit zunehmender Temperatur steigt der Sperrstrom, daher wird er als thermischer Strom I o bezeichnet:

I o (T) \u003d I o (T o) e ein D T,

DT=T-To; und Ge = 0,09 k –1 ; und Si \u003d 0,13k -1; Ich oGe >>Ich oSi . .

Es gibt eine ungefähre Formel

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

wo T *- Temperaturinkrement, das einer Verdoppelung des thermischen Stroms entspricht,

T*Ge=8...10 °C; T*Si=6°C.

Analytischer Ausdruck für VAC r-pÜbergang sieht so aus:

, (1.2)

wo U ist die angelegte externe Spannung.

Für eine Temperatur von 20 ° C φ t = 0,025 V.

Bei einer Temperaturerhöhung durch eine Erhöhung des Thermostroms und einer Verringerung der Potentialbarriere, einer Verringerung des Widerstands der Halbleiterschichten, tritt eine Verschiebung des direkten Zweigs der IV-Kennlinie in den Bereich hoher Ströme auf . Der Durchgangswiderstand von Halbleitern nimmt ab n und R. Als Ergebnis wird der Durchlassspannungsabfall geringer sein. Wenn die Temperatur ansteigt, nimmt die Potentialbarriere der Barriereschicht aufgrund einer Abnahme der Differenz zwischen den Konzentrationen von Haupt- und Nebenladungsträgern ab, was auch zu einer Abnahme von führt U pr, da die Barriereschicht bei einer niedrigeren Spannung verschwindet.

Dem gleichen Strom entsprechen unterschiedliche Vorwärtsspannungen (Abb. 1.4), die die Differenz DU bilden,

wo e- Temperaturkoeffizient der Spannung.

Wenn der Strom durch die Diode konstant ist, nimmt der Spannungsabfall an der Diode ab. Bei einer Temperaturerhöhung um ein Grad verringert sich der Durchlassspannungsabfall um 2 mV.

Reis. 1.4. VAC r-pÜbergang in Abb. 1.5. CVC von Germanium u

unterschiedliche Temperaturen von Siliziumdioden

Mit steigender Temperatur verschiebt sich der umgekehrte Zweig der Strom-Spannungs-Kennlinie nach unten (Bild 1.4). Der Betriebstemperaturbereich für Germaniumdioden beträgt 80 °C, für Siliziumdioden 150 °C.

IV-Kennlinien von Germanium- und Siliziumdioden sind in Abb. 1.5 dargestellt.

Differentialwiderstand r-pÜbergang (Abb. 1.6):

(1.3)

Mit zunehmendem Strom r d- sinkt.

Abb. 1.6 Definition von Differential

Diodenwiderstand

Gleichstromwiderstand r-pÜberleitung: .

Der Gleichstromwiderstand wird durch den Koeffizienten des Neigungswinkels einer geraden Linie charakterisiert, die vom Ursprung zu einem bestimmten Punkt gezogen wird. Dieser Widerstand hängt auch von der Größe des Stroms ab: Mit zunehmendem I nimmt der Widerstand ab . R Ge< R Si .

Die IV-Charakteristik einer Halbleiterdiode unterscheidet sich etwas von der IV-Charakteristik einer idealen Diode. Aufgrund des Leckstroms über die Kristalloberfläche ist der tatsächliche Rückwärtsstrom größer als der thermische Strom. Dementsprechend ist der Sperrwiderstand einer realen Diode kleiner als der einer idealen. r-pÜberleitung.

Der Vorwärtsspannungsabfall ist größer als ideal r-pÜberleitung. Dies liegt an dem Spannungsabfall über den Halbleiterschichten. R und P Typ. Darüber hinaus in echten Dioden eine der Schichten R oder P hat eine höhere Konzentration an Hauptträgern als die anderen. Eine Schicht mit einer hohen Konzentration an Majoritätsträgern wird als Emitter bezeichnet, sie hat einen vernachlässigbaren Widerstand. Eine Schicht mit einer geringeren Konzentration an Majoritätsträgern wird als Basis bezeichnet. Es hat ziemlich viel Widerstand.

Die Erhöhung des Vorwärtsspannungsabfalls tritt aufgrund des Spannungsabfalls über dem Basiswiderstand auf.

Um elektronische Schaltungen mit Halbleiterdioden zu berechnen, ist es notwendig, diese in Form von Ersatzschaltbildern darzustellen. Das Ersatzschaltbild einer Halbleiterdiode mit stückweise linearer Näherung ihres CVC ist in Abb. 1.7 dargestellt. Abbildung 1.8 zeigt Ersatzschaltbilder mit den IV-Kennlinien einer idealen Diode und den IV-Kennlinien eines Ideals PnÜberleitung ( r d ist der Widerstand der Diode, r ist der Leckwiderstand der Diode).

Abb.1.7. Näherung der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode

lineare Segmente

Abb.1.8. Ersetzen von Dioden mit I-V-Kennlinien

ideale Diode (a) und CVC ideal PnÜbergang (b)

Der Betrieb einer Diode in einem Stromkreis mit einer Last. Betrachten Sie die einfachste Schaltung mit einer Diode und einem Widerstand und der Wirkung einer bipolaren Spannung an ihrem Eingang (Abb. 1.9). Das Muster der Spannungsverteilung auf den Schaltungselementen wird durch die Position der Lastlinien bestimmt (Abb. 1.10) - auf dem Diagramm des CVC der Diode sind zwei Punkte entlang der Spannungsachse in beide Richtungen aufgetragen, bestimmt durch +Ähm und –Ähm Versorgungsspannung, die der Spannung an der Diode bei kurzgeschlossener Last entspricht R n, und Ströme werden auf der Stromachse in beiden Richtungen abgelagert U m / R n und - U m / R n, was einer kurzgeschlossenen Diode entspricht. Diese beiden Punkte sind paarweise durch Geraden verbunden, die Last genannt werden. Linienschnittpunkte laden R n im ersten und dritten Quadranten mit Ästen

IV-Kennlinien der Diode für jede Phase der Versorgungsspannung entsprechen

Reis. 1.9. Schaltung mit Diode und Abb. 1.10. CVC-Diode mit Last

direkte Belastung

ihre identischen Ströme (was bei Reihenschaltung notwendig ist) und bestimmen die Lage der Arbeitspunkte.

positive Halbwelle U>0, U=Um.

Diese Polarität ist für eine Diode direkt. Strom und Spannung erfüllen immer die Strom-Spannungs-Kennlinie:

,

Außerdem:

U d \u003d U m - I d RH;

beim Ich d \u003d 0, U d \u003d Um;

beim U d \u003d 0, I d \u003d Um / R H;

mit Direktanschluss U m >> U pr(Abb. 1.10).

In der praktischen Anwendung U pr>0 (U pr- Vorwärtsspannung), wenn die Diode offen ist. Wenn die Diode in Vorwärtsrichtung arbeitet, ist die Spannung an ihr minimal - ( Ge-0,4 V; Si-0,7 V), und kann als ungefähr gleich Null angesehen werden. Der Strom ist dann maximal.

Abb.1.11. Spannungs- und Stromsignale in einer Diodenschaltung mit Last

.

negative Halbwelle U<0, U= -U m .

Die Charakteristik der Diode ist die gleiche, aber

U d \u003d -U m -I d RH,;

Ich d \u003d 0, U d \u003d Um;

U d = 0, I d = U m /R H ; ÄH<

Kapazitäten r-pÜberleitung. Wenn eingeschaltet r-pÜbergang in die entgegengesetzte Richtung sowie bei kleinen Durchlassspannungen in der Region r-pÜbergang gibt es eine doppelte elektrische Schicht: in R Bereiche - negativ, in P Bereiche - positiv.

Die Akkumulation einer unkompensierten Ladung in dieser Schicht führt zum Auftreten einer Kapazität r-pÜbergang, der als Sperrkapazität bezeichnet wird. Sie charakterisiert die Änderung der akkumulierten Ladung bei einer Änderung der äußeren Spannung gemäß Abb. 1.12. Cb \u003d dQ / dU .

Reis. 1.12. Abhängigkeit der Sperrkapazität

von Sperrspannung.

Die Barrierenkapazität hängt von geometrischen Abmessungen ab r-pÜberleitung. Mit der Erhöhung U Arr Breite r-pÜbergang nimmt zu und die Kapazität nimmt ab.

Wenn die Diode in Vorwärtsrichtung eingeschaltet wird, verschwindet die Sperrkapazität praktisch, und in der Basisschicht der Diode sammeln sich vom Emitter übertragene Minoritätsträger an. Diese Ladungsakkumulation erzeugt auch einen Kapazitätseffekt, der als Diffusionskapazität bezeichnet wird. CD in der Regel übersteigt Cb.

Die Diffusionskapazität wird bestimmt C d \u003d dQ d / dU.

Diese Kapazitäten beeinflussen den Betrieb von Dioden bei hohen Frequenzen. Kapazitäten r-p der Übergang ist im Ersatzschaltbild enthalten (Abb. 1.13).

Reis. 1.13. Dioden-Ersatzschaltbilder unter Berücksichtigung von Kapazitäten:

a – Sperrkapazität; b - Diffusionskapazität

Einschwingvorgänge in Dioden. Wenn Dioden mit Hochfrequenzsignalen (1-10 MHz) arbeiten, erfolgt der Übergangsprozess von einem nichtleitenden Zustand in einen leitenden Zustand und umgekehrt aufgrund des Vorhandenseins einer Kapazität im Übergang aufgrund der Akkumulation nicht sofort Ladungen in der Basis der Diode.

Abbildung 1.14 zeigt die Zeitdiagramme der Stromänderungen durch die Diode und die Last bei Rechteckimpulsen der Versorgungsspannung. Kapazitäten in der Diodenschaltung verzerren die vorderen und hinteren Flanken der Impulse, wodurch die Absorptionszeit erscheint tp.

Bei der Auswahl einer Diode für eine bestimmte Schaltung müssen ihre Frequenzeigenschaften und ihre Geschwindigkeit berücksichtigt werden.

Reis. 1.14. Transiente Prozesse bei

Schaltdiode:

t f1- die Dauer der Vorderflanke des Übergangs;

t f2- die Dauer der Hinterflanke;

tp- Auflösungszeit.

Abbauen r-pÜberleitung. Die Sperrspannung der Diode kann nicht auf einen beliebig großen Wert ansteigen. Bei einer bestimmten Sperrspannung, die für jeden Diodentyp charakteristisch ist, steigt der Sperrstrom stark an. Dieser Effekt wird als Transition Breakdown bezeichnet. Es gibt mehrere Arten von Aufschlüsselungen (Abb. 1.15):

1 - Lawinendurchbruch, wenn eine Erhöhung des Rückstroms aufgrund einer Lawinenmultiplikation von Nicht-Hauptträgern auftritt;

Reis. 1.15. CVC für verschiedene Pannenarten

2-Tunnel-Durchbruch, wenn die Überwindung der Potentialbarriere und der Sperrschicht aufgrund des Tunneleffekts erfolgt.

Bei Lawinen- und Tunneldurchbrüchen steigt der Sperrstrom bei konstanter Sperrspannung.

Das sind Stromausfälle. Sie sind reversibel. Nach dem Entfernen U Arr die Diode gewinnt ihre Eigenschaften zurück.

3- Thermischer Zusammenbruch, tritt auf, wenn die Wärmemenge freigesetzt wird r-p Sperrschicht wird mehr Wärme von der Oberfläche der Diode an die Umgebung abgegeben. Allerdings mit steigender Temperatur r-p Beim Übergang nimmt die Konzentration der Minoritätsträger zu, was zu einem noch stärkeren Anstieg des Sperrstroms führt, was wiederum zu einem Temperaturanstieg usw. führt. Da für auf Germaniumbasis hergestellte Dioden ich arr mehr als bei Dioden auf Siliziumbasis, dann ist bei ersteren die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchbruchs höher als bei letzteren. Daher ist die maximale Betriebstemperatur für Siliziumdioden höher (150 o ... 200 o C) als für Germaniumdioden (75 o ... 90 o C).

Mit dieser Panne r-p der Übergang ist zerstört.

Testfragen.

1. Was ist eine Halbleiterdiode? Strom-Spannungs-Charakteristik einer idealen und realen Diode?

2. Welche Materialien werden zur Herstellung von Halbleiterdioden verwendet? Wie erzeugt man Bereiche der einen oder anderen Art von Leitfähigkeit in einem Halbleitersubstrat?

3. Was ist das intrinsische elektrische Feld in einem Kristall an der Grenze? p-n-Überleitung? Wie verändert sie sich, wenn eine externe Spannung angelegt wird?

4. Was erklärt den Effekt der Einwegleitung p-n-Übergang in einem Halbleiter?

5. Strom-Spannungs-Kennlinien Pn-Übergänge für Germanium- und Siliziumdioden bei Änderung der Außentemperatur?

6. Wie wird der Differenzwiderstand einer Diode bestimmt?

7. Wie sind die Strom-Spannungs-Kennlinien einer Diode mit Lastgeraden aufgebaut?

8. Erklären Sie den Mechanismus der Bildung der Sperr- und Diffusionskapazitäten der Diode? Wie beeinflussen sie den Betrieb der Diode in Wechselstromkreisen?

Vortrag 2 Besondere Typen