Se riippuu voimakkaasti epäpuhtauksien pitoisuudesta. Puolijohteita, joiden sähköfysikaaliset ominaisuudet riippuvat muiden kemiallisten alkuaineiden epäpuhtauksista, kutsutaan epäpuhtauspuolijohteiksi. On olemassa kahdenlaisia ​​epäpuhtauksia, luovuttaja ja vastaanottaja.

Luovuttaja kutsutaan epäpuhtaudeksi, jonka atomit antavat puolijohteelle vapaita elektroneja, ja tässä tapauksessa saatu sähkönjohtavuus, joka liittyy vapaiden elektronien liikkumiseen, on elektroninen. Puolijohdetta, jolla on elektroninen johtavuus, kutsutaan elektroniseksi puolijohteeksi, ja se on perinteisesti merkitty latinalaisella kirjaimella n - sanan "negatiivinen" ensimmäinen kirjain.

Tarkastellaanpa elektronisen johtavuuden muodostumisprosessia puolijohteessa. Otamme piin pääpuolijohdemateriaaliksi (piipuolijohteet ovat yleisimpiä). Piillä (Si) on atomin ulkoradalla neljä elektronia, jotka määräävät sen sähköfysikaaliset ominaisuudet (eli ne liikkuvat jännitteen vaikutuksesta sähkövirran muodostamiseksi). Kun arseenin (As) epäpuhtausatomeja viedään piihin, jonka ulkoradalla on viisi elektronia, neljä elektronia vuorovaikuttavat neljän piin elektronin kanssa muodostaen kovalenttisen sidoksen, ja viides arseenin elektroni pysyy vapaana. Näissä olosuhteissa se erottuu helposti atomista ja saa mahdollisuuden liikkua aineessa.

tunnustaja Epäpuhtaudeksi kutsutaan epäpuhtaudeksi, jonka atomit ottavat vastaan ​​elektroneja pääpuolijohteen atomeista. Tuloksena olevaa sähkönjohtavuutta, joka liittyy positiivisten varausten liikkeeseen - reikiin, kutsutaan aukoksi. Puolijohdetta, jolla on reikäinen sähkönjohtavuus, kutsutaan reikäpuolijohteeksi ja se on perinteisesti merkitty latinalaisella kirjaimella p - sanan "positiivinen" ensimmäinen kirjain.

Tarkastellaan reiän johtavuuden muodostumisprosessia. kun indium(In)-epäpuhtausatomeja viedään piihin, jonka ulkoradalla on kolme elektronia, ne sitoutuvat kolmeen piielektroniin, mutta tämä sidos osoittautuu epätäydelliseksi: vielä yksi elektroni puuttuu sitoutuakseen piin neljänteen elektroniin. piitä. Epäpuhtausatomi kiinnittää puuttuvan elektronin yhdestä pääpuolijohteen lähellä olevista atomeista, minkä jälkeen se liittyy kaikkiin neljään viereiseen atomiin. Elektronin lisäyksen ansiosta se saa ylimääräisen negatiivisen varauksen, eli se muuttuu negatiiviseksi ioniksi. Samaan aikaan puolijohdeatomi, josta neljäs elektroni lähti epäpuhtausatomiin, osoittautuu olevan yhteydessä naapuriatomeihin vain kolmella elektronilla. näin ollen positiivista varausta on ylimäärä ja täyttymätön sidos ilmaantuu, ts reikä.

Yksi puolijohteen tärkeistä ominaisuuksista on, että reikien läsnä ollessa virta voi kulkea sen läpi, vaikka siinä ei olisi vapaita elektroneja. Tämä johtuu reikien kyvystä siirtyä puolijohdeatomista toiseen.

"Aikkojen" siirtäminen puolijohteessa

Tuomalla luovuttajaepäpuhtaus puolijohteen osaan ja akseptoriepäpuhtaus toiseen osaan on mahdollista saada alueita, joissa on elektronien ja aukkojen johtavuutta. Elektronisen ja reiän johtumisen alueiden rajalle muodostuu niin sanottu elektronireikäsiirtymä.

P-N risteys

Harkitse prosesseja, jotka tapahtuvat, kun virta kulkee läpi elektronireikä siirtymä. Vasen kerros, merkitty n:llä, on sähköä johtava. Siinä oleva virta liittyy vapaiden elektronien liikkeeseen, jotka on tavanomaisesti merkitty ympyröillä, joissa on miinusmerkki. Oikealla p-kirjaimella merkityllä kerroksella on reikäjohtavuus. Tämän kerroksen virta liittyy reikien liikkeeseen, jotka on merkitty ympyröillä, joissa on "plus" kuvassa.

Elektronien ja reikien liike suoran johtavuuden järjestelmässä

Elektronien ja reikien liike käänteisjohtavuusjärjestelmässä.

Kun puolijohteet, joilla on eri johtavuus, joutuvat kosketuksiin, elektronit johtuvat diffuusio alkaa siirtyä p-alueelle ja reiät - n-alueelle, minkä seurauksena n-alueen rajakerros varautuu positiivisesti ja p-alueen rajakerros varautuu negatiivisesti. Alueiden väliin syntyy sähkökenttä, joka on ikään kuin esteitä päävirrankantajille, minkä vuoksi p-n-liitokseen muodostuu alue, jolla on alentunut varauskonsentraatio. P-n-liitoksessa olevaa sähkökenttää kutsutaan potentiaaliesteeksi ja p-n-liitosta sulkukerrokseksi. Jos ulkoisen sähkökentän suunta on vastakkainen p-n-liitoksen kentän suuntaan ("+" p-alueella, "-" n-alueella), niin potentiaalieste pienenee, varausten pitoisuus. p-n-liitoksessa kasvaa, leveys ja siten siirtymäresistanssi pienenee. Kun lähteen napaisuutta muutetaan, ulkoinen sähkökenttä osuu yhteen p-n-liitoksen kentän suunnan kanssa, liitoksen leveys ja resistanssi kasvavat. Siksi p-n-liitoksella on venttiiliominaisuudet.

puolijohdediodi

diodi kutsutaan sähköisesti muuntavaksi puolijohdelaitteeksi, jossa on yksi tai useampi p-n-liitos ja kaksi johtoa. Päätarkoituksesta ja p-n-liitoksessa käytetystä ilmiöstä riippuen puolijohdediodeja on useita päätoiminnallisia tyyppejä: tasasuuntaaja-, suurtaajuus-, pulssi-, tunneli-, zener-diodit, varikapsit.

Perus puolijohdediodien ominaisuudet on virta-jännite-ominaisuus (VAC). Jokaisen puolijohdediodin tyypin I–V-ominaiskäyrillä on eri muoto, mutta ne kaikki perustuvat risteystasasuuntaajadiodin I–V-ominaisuuteen, jonka muoto on:

Diodin virta-jännite-ominaisuus (CVC): 1 - tasavirta-jännite-ominaisuus; 2 - käänteinen virta-jännite -ominaisuus; 3 - hajoamisalue; 4 - tasavirta-jännite-ominaisuuden suoraviivainen approksimaatio; Upor on kynnysjännite; rdyn on dynaaminen vastus; Uprob - läpilyöntijännite

Y-akselin asteikko virtojen negatiivisille arvoille valitaan monta kertaa suurempi kuin positiivisten.

Diodien virta-jännite-ominaisuudet kulkevat nollan läpi, mutta riittävän havaittava virta ilmaantuu vasta kun kynnysjännite(U sitten), mikä germaniumdiodeille on 0,1 - 0,2 V ja piidiodeille 0,5 - 0,6 V. Diodin negatiivisten jännitearvojen alueella jo suhteellisen alhaisilla jännitteillä (U arr. ) tapahtuu käänteinen virta(saun). Tämän virran muodostavat vähemmistökantajat: p-alueen elektronit ja n-alueen reiät, joiden siirtymistä alueelta toiselle helpottaa rajapinnan lähellä oleva potentiaalieste. Käänteisjännitteen kasvaessa virran kasvua ei tapahdu, koska siirtymärajalla aikayksikköä kohti ilmestyvien vähemmistökantoaaltojen määrä ei riipu ulkopuolelta syötetystä jännitteestä, jos se ei ole kovin suuri. Piidiodien käänteisvirta on useita suuruusluokkia pienempi kuin germaniumdiodien. Käänteisen jännitteen lisäys edelleen läpilyöntijännite(U-näytteet) johtaa siihen, että valenssikaistan elektronit siirtyvät johtavuuskaistalle, zener-efekti. Tässä tapauksessa käänteinen virta kasvaa jyrkästi, mikä aiheuttaa diodin kuumenemisen ja virran lisäys johtaa termiseen hajoamiseen ja p-n-liitoksen tuhoutumiseen.

Diodien sähköisten pääparametrien nimeäminen ja määrittely

Puolijohdediodin nimitys

Kuten aiemmin mainittiin, diodi johtaa virtaa yhteen suuntaan (eli ihannetapauksessa se on vain pieni vastus), toiseen suuntaan se ei (eli muuttuu erittäin suuren resistanssin johtimeksi), sanalla sanoen. , sillä on yksipuolinen johtuminen. Näin ollen hänellä on vain kaksi johtopäätöstä. Niitä, kuten on ollut tapana lampputekniikan ajoista lähtien, kutsutaan anodi(positiivinen johtopäätös) ja katodi(negatiivinen).

Kaikki puolijohdediodit voidaan jakaa kahteen ryhmään: tasasuuntaaja ja erikois. Tasasuuntaajan diodit, kuten nimestä voi päätellä, on suunniteltu tasasuuntaamaan vaihtovirtaa. Vaihtojännitteen taajuudesta ja muodosta riippuen ne jaetaan korkeataajuisiin, matalataajuisiin ja pulssiin. Erityinen puolijohdediodityypit käyttävät erilaisia ​​p-n-liitosten ominaisuuksia; hajoamisilmiö, estekapasitanssi, negatiivisen resistanssin alueiden läsnäolo jne.

Tasasuuntaajan diodit

Tasasuuntausdiodit jaetaan rakenteellisesti taso- ja pistediodit sekä valmistustekniikan mukaan metalliseos-, diffuusio- ja epitaksiaalisiin. Tasosuuntaisia ​​diodeja käytetään p-n-liitoksen suuren alueen vuoksi korkeat virrat. Pistediodeissa on pieni liitosalue ja vastaavasti ne on suunniteltu tasasuuntaukseen pieniä virtoja. Lumivyöryn läpilyöntijännitteen lisäämiseksi käytetään tasasuuntaajan napoja, jotka koostuvat sarjasta sarjaan kytkettyjä diodeja.

Suuritehoisia tasasuuntausdiodeja kutsutaan tehoa. Tällaisten diodien materiaali on yleensä pii tai galliumarsenidi. Piiseoksesta valmistettuja diodeja käytetään tasasuuntaamaan vaihtovirtaa taajuudella 5 kHz. Piin diffuusiodiodit voivat toimia korkeammilla taajuuksilla, jopa 100 kHz. Metallisella alustalla (Schottky-sulkulla) varustettuja silikoniepitaksisia diodeja voidaan käyttää 500 kHz:n taajuuksilla. Galliumarsenididiodit pystyvät toimimaan useiden MHz:iden taajuusalueella.

Tehodiodeille on yleensä tunnusomaista joukko staattisia ja dynaamisia parametreja. Vastaanottaja staattiset parametrit diodit sisältävät:

• Jännitteen putoaminen U CR diodissa tietyllä tasavirran arvolla;
• käänteinen virta I arr käänteisen jännitteen tietyssä arvossa;
• tarkoittaa tasavirta I pr.cf. ;
• impulsiivinen Käänteinen Jännite U arr. ;

Vastaanottaja dynaamiset parametrit diodi ovat sen aika- ja taajuusominaisuudet. Näitä vaihtoehtoja ovat:

• palautumisaika t kääntää jännite;
• nousuaika tasavirta I ulos. ;
• rajataajuutta vähentämättä diodin tiloja f max .

Staattiset parametrit voidaan asettaa diodin virta-jännite-ominaisuuden mukaan.

Diodi tvos:n käänteinen palautumisaika on tasasuuntausdiodien pääparametri, joka luonnehtii niiden inertiaominaisuuksia. Se määritetään kytkemällä diodi annetusta myötävirtavirrasta I CR määrättyyn paluujännitteeseen U arr. Kytkennän aikana diodin yli oleva jännite saa päinvastaisen arvon. Diffuusioprosessin hitaudesta johtuen diodin virta ei pysähdy hetkessä, vaan ajan myötä t nar. Pohjimmiltaan p-n-liitoksen rajalla tapahtuu varausten resorptio (eli vastaavan kapasiteetin purkaus). Tästä seuraa, että diodin tehohäviöt kasvavat voimakkaasti, kun se kytketään päälle, varsinkin kun se sammutetaan. Siten, häviöt diodissa kasvaa tasasuuntaisen jännitteen taajuuden kasvaessa.

Kun diodin lämpötila muuttuu, sen parametrit muuttuvat. Diodin myötäsuuntainen jännite ja sen vastavirta riippuvat voimakkaimmin lämpötilasta. Suunnilleen voimme olettaa, että TKN (jännitelämpötilakerroin) Upr \u003d -2 mV / K, ja diodin käänteisvirralla on positiivinen kerroin. Joten lämpötilan noustessa jokaista 10 ° C: tä kohden germaniumdiodien käänteisvirta kasvaa 2 kertaa ja piin - 2,5 kertaa.

Diodit Schottky-esteellä

Pienten suurtaajuisten jännitteiden tasasuuntaukseen käytetään laajalti schottky estediodit. Näissä diodeissa käytetään p-n-liitoksen sijasta metallipinnan kontaktia. Kosketuskohdassa ilmaantuu puolijohdekerroksia, jotka ovat tyhjentyneet varauksenkuljettajista, joita kutsutaan sulkukerroksiksi. Schottky-sululla varustetut diodit eroavat p-n-liitoksella varustetuista diodeista seuraavilla tavoilla:

• lisää matala suora Jännitteen putoaminen;
• ota lisää matala peruutus Jännite;
• lisää korkea virta vuodot;
• melkein veloituksetta käänteinen palautus.

Kaksi pääominaisuutta tekevät näistä diodeista välttämättömiä: alhainen jännitehäviö eteenpäin ja nopea paluujännitteen palautumisaika. Lisäksi toipumisaikaa vaativien vähäisten välineiden puuttuminen tarkoittaa fyysistä ei tappiota vaihtaa itse diodia.

Nykyaikaisten Schottky-diodien maksimijännite on noin 1200 V. Tällä jännitteellä Schottky-diodin myötäsuuntainen jännite on 0,2 ... 0,3 V pienempi kuin p-n-liitoksella varustettujen diodien lähtöjännite.

Schottky-diodin edut tulevat erityisen havaittavissa pienten jännitteiden tasaamisessa. Esimerkiksi 45 voltin Schottky-diodin myötäsuuntainen jännite on 0,4 ... 0,6 V, ja samalla virralla p-n-liitosdiodin jännitehäviö on 0,5 ... 1,0 V. Kun käänteinen jännite laskee 15 V, myötäsuuntainen jännite laskee arvoon 0,3 ... 0,4 V. Keskimäärin Schottky-diodien käyttö tasasuuntaajassa mahdollistaa häviöiden pienentämisen noin 10 ... 15 %. Schottky-diodien suurin toimintataajuus ylittää 200 kHz.

Teoria on hyvä, mutta ilman käytännön sovellusta se on vain sanoja.

Tällä hetkellä galliumarsenidin liitoskohtien valmistukseen käytetään kolmea pääryhmää menetelmiä: diffuusio, höyryfaasiepitaksia ja nestefaasiepitaksi. Aiemmin puolijohdeteknologiassa käytetty sulatusmenetelmä ei ole enää käytössä PCD-tekniikassa, koska se ei tuota kaiverrettua ja litteää elektronireikäsiirtymää ja siksi se ei sovellu laserdiodien valmistukseen. Siksi nyt tärkeimmät menetelmät PCG-diodien valmistamiseksi ovat diffuusio ja epitaksi.

8.3.1. Diffuusiomenetelmä

Diffuusioteoria perustuu oletukseen, että epäpuhtausatomit eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa diffuusion aikana ja diffuusionopeus ei riipu niiden pitoisuudesta. Tämän oletuksen perusteella johdetaan diffuusion perusyhtälöt - Fickin lait. Fickin ensimmäinen laki määrittelee diffuusiovuon pitoisuusgradienttiin verrannollisena suurena (isotermisissä olosuhteissa yksiulotteisella diffuusiolla)

missä on hajaantuvien atomien pitoisuus; x - etäisyyden koordinaatti; diffuusiokerroin.

Fickin toinen laki määrittää diffuusionopeuden

Näiden lakien perusteella voidaan löytää epäpuhtauspitoisuuden jakauma puolirajoitteisessa näytteessä. Tapauksessa, jossa alkupitoisuus kiteen massassa on lähellä nollaa, vaikka pintapitoisuus on ja pysyy vakiona, epäpuhtauspitoisuus ajan x jälkeen syvyydellä x on

Jos diffuusio tapahtuu ohuesta kerroksesta, jonka paksuus epäpuhtauspitoisuus on yksikköä kohti

pinta, niin epäpuhtauksien jakautuminen ilmaistaan ​​yhtälöllä

Näytteen epäpuhtauksien jakautumisen pitoisuusprofiilien määritys suoritetaan joko radioaktiivisten merkkiaineiden menetelmällä tai koetinmenetelmällä, jolla mitataan "resistanssin leviäminen" näytteen vinoa leikkausta pitkin.

Diffuusiokertoimen lämpötilariippuvuudella on muoto

Tämä riippuvuus ei kuitenkaan aina säily binääripuolijohteissa Fickin laista poikkeamien vuoksi, koska epäpuhtaus on vuorovaikutuksessa yhdisteen jonkin komponentin tai yhdisteen dissosioitumisen aikana haihtuvan komponentin haihtumisen vuoksi muodostuneiden tyhjien tilojen kanssa. Joskus epäpuhtauden vuorovaikutuksen seurauksena yhdisteen komponenttien kanssa muodostuu uusia yhdisteitä, jotka ovat vakaampia kuin alkuperäinen binääripuolijohde. Diffuusiotyyppisissä yhdisteissä diffuusio tapahtuu atomien liikkuessa ryhmien III ja V alkuaineiden alahilan paikkoja pitkin. Diffuusion aktivointienergia riippuu tässä tapauksessa alihilan tyypistä, jonka solmujen kautta diffuusio tapahtuu. Tämä mekanismi ei kuitenkaan ole ainoa; mahdollista on esimerkiksi epäpuhtauden diffuusio rakoja pitkin. Katsauksissa tarkastellaan erilaisten epäpuhtauksien diffuusiota binääripuolijohteisiin. Tiedot galliumarsenidissa olevien epäpuhtauksien diffuusiosta on annettu taulukossa. 8.3

Liitosten valmistaminen diffuusiolla voidaan tehdä diffuusoimalla sekä luovuttajat -tyypin galliumarsenidiin että vastaanottajat -tyyppiseen materiaaliin. Koska luovuttajien diffuusio on hyvin hidasta, suoritetaan yleensä vastaanottajien diffuusio. Yleisimmät ruiskeen valmistuksessa käytetyt seostusaineet ovat akseptori - sinkki ja luovuttaja - telluuri. Teollisuus tuottaa galliumarsenidin yksittäiskiteitä, jotka on tarkoitettu PKG:n tuotantoon, seostettuna telluurilla pitoisuuksiin.

(klikkaa nähdäksesi skannauksen)

pitoisuudet, kuten yllä on esitetty, ja ovat optimaaliset. Näistä yksikiteistä leikatuissa levyissä elektronireikäsiirtymä saadaan aikaan sinkkidiffuusiolla, mikä mahdollistaa nopean siirtymän aikaansaamisen ei liian korkeissa lämpötiloissa missä tahansa halutussa syvyydessä.

Diffuusiota varten toimitetut galliumarsenidilevyt on valmistettava erityisesti. Ensinnäkin kiteestä paljastetaan röntgenmenetelmällä taso indeksillä (100). Sitten kide leikataan tämän kristallografisen tason suuntaisiksi levyiksi. Tason valinta määräytyy seuraavien seikkojen perusteella. Yhdisteiden kiteet lohkeavat helposti (110)-tasoa pitkin. Näille yhdisteille ominaisessa sfaleriitin kuutiorakenteessa on kolme (110) tasoa kohtisuorassa (111) tasoon nähden ja kaksi kohtisuorassa (100) tasoa. Jos (111)-taso valitaan, voidaan valmistaa kolmiomaisia ​​PKG-diodeja.

Diodit, joissa on tyypillisiä Fabry-Perot-resonaattoreita, on helppo valmistaa levyistä, jotka on leikattu yhdensuuntaisesti (100) tason kanssa yksinkertaisella kaksoishalkaisulla pitkin (110). Näiden resonaattoritasojen on oltava tiukasti kohtisuorassa tulevaan siirtymään nähden, koska diodin aktiivisen kerroksen paksuus on vain 1-2 mikronia. Tästä johtuen resonaattoritason merkityksettömät poikkeamat voivat johtaa säteilyn emissioon aktiiviselta alueelta. Tämän vaatimuksen täyttämiseksi levyn toinen puoli hiotaan ennen diffuusiota 5 µm:n jauheella, joka on kohtisuorassa halkaistuihin tasoihin nähden. Levyn maapinta kiillotetaan käsin lasille kiillotusjauheella (raekoko ensin 1 µm ja sitten 0,3 µm). Joskus käytetään myös kemiallista kiillotusta.

Sinkin diffuusioprosessi kiillotettuun galliumarsenidilevyyn suoritetaan joko suljetussa tilavuudessa (suljetussa ampullissa) tai virtausjärjestelmässä. Useammin kuitenkin käytetään suljettua järjestelmää. Tätä varten ampulli pumpataan alustavasti ulos noin mm Hg:n jäännöspaineeseen. Taide. Sinkin lähteeksi otetaan joko alkuainesinkki tai sen yhdisteet, jälkimmäinen yhdiste on kiinteiden faasien seos, suhde

jotka valitaan diffuusion lämpötilaolosuhteiden mukaan. Jos alkuainesinkkiä käytetään epäpuhtauslähteenä, niin alkuainearseenia laitetaan myös ampulliin suhteessa tai Kuten alla nähdään, ampullissa olevan arseenin paineella on suuri merkitys tässä prosessissa.

Tekniikassa käytetään kolmea diffuusioprosesseja risteyksien muodostamiseen.

1. Yksivaiheinen sinkin diffuusio arseenin ilmakehässä levyssä (100) tai (111) suoritetaan sinkin lämpötilassa ja arseenia ladataan ampulliin suhteessa niiden kokonaispitoisuuteen kaasufaasissa Prosessin päättymisen jälkeen, ampulli jäähdytetään nopeasti vedellä. Prosessin kesto valitaan halutun siirtymän syvyyden mukaan.

Kolmen tunnin diffuusion seurauksena näissä olosuhteissa siirtymä muodostuu noin 20 μm:n syvyyteen.

2. Sinkin diffuusio, jota seuraa hehkutus arseeniatmosfäärissä. Diffuusioprosessi on samanlainen kuin edellä kuvattu, mutta diffuusioprosessin lopussa levy asetetaan toiseen ampulliin, johon laitetaan myös arseenia, jonka ampulli kuorman kanssa pumpataan ulos mmHg. Taide. ja säilytetään uunissa 900 °C:n lämpötilassa hehkutusta varten, mikä edistää kompensoidun alueen laajenemista, aktiivisen siirtymäkerroksen kohdistamista ja tasaisen, epäterävän siirtymän luomista. Optimaaliset olosuhteet ovat seuraavat: vaihe I (diffuusio) - lämpötila sinkin pitoisuussuhteen kesto vaihe I vaihe II (hehkutus) - lämpötila 900 tai - arseenin pitoisuuden kestovaihe II Diffuusiosyvyys näissä olosuhteissa on noin 8 mikronia.

3. Kolmivaiheinen diffuusio. Edellä kuvattuun kaksivaiheiseen diffuusioprosessiin lisätään kolmas vaihe - sinkin matala diffuusio kerroksen muodostamiseksi

Diffuusioprosessin ja ampullin jäähdytyksen lopussa galliumarsenidilevy poistetaan ja sen reuna leikataan pois siirtymän tunnistamiseksi, sen esiintymissyvyyden määrittämiseksi ja sen ominaisuuksien silmämääräiseksi havainnoimiseksi: tasaisuus, leveys jne. kohtaan

jotta siirtymä olisi selvästi näkyvissä, siru syövytetään liuokseen tai pisara liuosta levitetään lohkeavalle pinnalle ja pidetään 15–30 s, minkä jälkeen levy huuhdellaan tislatulla vedellä. Syövytetyssä pinnassa näkyy kaksi viivaa: alempi viiva määrittää siirtymärajan ja ylempi on paikka, josta β-tyyppisen materiaalin rappeutuminen alkaa.

Sinkin diffuusiomekanismi galliumarsenidiksi. Sinkkipitoisuuden jakautuminen galliumarsenidissa diffuusion seurauksena on epänormaali. Sinkin diffuusiolle alla olevissa lämpötiloissa se voidaan kuvata Gaussin virhefunktiolla, eli yhtälöillä (8.4) ja (8.5); tässä tapauksessa diffuusiokertoimien arvot voidaan laskea ottaen huomioon taulukossa annetut parametrit. 8.3 Yli 800 °C:n diffuusiolämpötiloissa sinkin jakautuminen galliumarsenidissa ei noudata tätä klassista mallia. Tyypillisiä esimerkkejä sinkin epänormaalista jakautumisesta on esitetty kuvassa.

8.13 diffuusioon lämpötilassa aikana

Epänormaalit ilmiöt sinkin diffuusion aikana galliumarsenidiksi ovat lukuisten tutkimusten kohteena. Seuraavat tosiasiat on huomioitu.

Riisi. 8.13. Sinkin pitoisuuksien jakautumisprofiilit galliumarseiidilevyssä erilaisille pintapitoisuuksille diffuusiolämpötilassa ja kestoltaan noin

Ylimmissä diffuusiolämpötiloissa sinkin diffuusiokerroin riippuu voimakkaasti arseenin pitoisuudesta, ja sinkin liukoisuus galliumarsenidiin kasvaa jopa kolmella suuruusluokalla (1017:stä arvoon , ts. sinkin pitoisuusgradientin puuttuessa näyte.

Sinkkiatomit voivat sijaita galliumarsenidissa joko galliumin kohdissa tai rakoissa, minkä vuoksi sinkin diffuusiota voi tapahtua galliumvaansseissa ja rakoissa. Fickin laki tällaiselle kaksoisdiffuusiomekanismille voidaan ilmaista yhtälöllä

missä ja ovat sinkin diffuusiokertoimet rakojen ja galliumkorvausmekanismin yli.

Tätä yhtälöä voidaan yksinkertaistaa ottamalla käyttöön tehokas diffuusiokerroin:

Isokonsentraatiodiffusion tulokset osoittavat, että korkeilla sinkkipitoisuuksilla diffuusio halkeamia pitkin vallitsee, ts.

Näin ollen isokonsentraatiodiffuusio voidaan kuvata myös yhtälöllä (8.4). Isokonsentraatiodiffuusiokerroin voidaan laskea interstitiaalisten sinkkiatomien ja galliumvaansioiden pitoisuuden analyysin perusteella. Sen voimakas riippuvuus sinkkipitoisuudesta on esitetty kuvassa. 8.14.

Riisi. 8.14, Galliumarsenidissa olevan sinkin diffuusiokertoimen riippuvuus sinkin pitoisuudesta.

Kuitenkin todellisissa teknisissä olosuhteissa korkeissa lämpötiloissa galliumarsenidilla saavutettu sinkin pintapitoisuus ylitti hieman ampullissa olevan sinkkihöyryn tiheyden. Koska ampullissa ei ollut arseenipainetta, sinkin jakautuminen näytteessä oli vääristynyt toistamattomasti, ja

Siirtymä oli epätasainen, etenkin pienillä sinkkipitoisuuksilla. Arseenin lisääminen ampulliin korjasi tilanteen olennaisesti. Diffuusiokertoimen riippuvuus sinkkipitoisuudesta pieneni merkittävästi, diffuusio eteni säännöllisemmin ja siirtyminen osoittautui sujuvaksi.

On syytä kiinnittää huomiota siihen, että poikkeavia ilmiöitä sinkin diffuusiossa esiintyy galliumarsenidin hajoamisen alkamislämpötilan yläpuolella olevissa lämpötiloissa, joten ampulliin on luotava arseenipaine, joka on vähintään yhtä suuri kuin ampullin dissosiaatiopaine. galliumarsenidi tietyssä lämpötilassa. Lisäksi koska sinkki muodostaa kaksi yhteneväisesti sulavaa yhdistettä arseenin kanssa, voidaan odottaa niiden muodostumista sekä sinkin lähteelle että galliumarsenidin pinnalle. Nämä prosessit sekä galliumarsenidin dissosiaatio voivat johtaa nestemäisen galliumin vapautumiseen ja sinkin ja galliumarsenidin galliumliuosten muodostumiseen, minkä seurauksena syntyy paikallisia pintahäiriöitä, jotka edelleen vääristävät diffuusioprofiilia ja siirtymää. Näiden pintahäiriöiden poistamiseksi ja diffuusion tuomiseksi lähemmäksi isokonsentraatiojärjestelmää sinkki diffundoidaan joskus galliumarsenidille kerrostetun kalvon läpi tai sinkillä seostetusta kalvosta.

Olosuhteet sinkin toistettavan diffuusion saavuttamiseksi galliumarsenidiksi voidaan määrittää arvolla n? gallium-arseeni-sinkki faasitasapainokaavioiden tarkastelun perusteella (kuva 8.15).

Jos diffuusioaineena käytetään vain alkuainesinkkiä, arsenikki siirtyy galliumarsenidista sinkkilähteeseen, kunnes sinkkiarsenidin tasapainofaasit muodostuvat molemmille pinnoille. Luonnollisesti tämä johtaa nestemäisen galliumin vapautumiseen, kiekon pinnan vaurioitumiseen ja diffuusiorintaman vääristymiseen.

Jos lähde on sinkki ja arseeni tai sinkkiarsenidit, kaikki riippuu diffuusion määrästä, sen koostumuksesta ja lämpötilasta. Pienillä määrillä diffuusioainetta (useita ampulleja) ei muodostu kondensoitunutta faasia - kaikki sinkki ja arseeni ovat höyryfaasissa. Diffuusion kestosta ja lämpötilasta siirtymisen pintahäiriöt ilmaistaan ​​kaavalla

Kahden n- ja p-tyypin puolijohteen kosketusta kutsutaan p-n-liitokseksi tai n-p-liitokseksi. Diffuusio alkaa puolijohteiden välisen kosketuksen seurauksena. Osa elektroneista menee reikiin ja osa reiät elektronien sivuille.

Tämän seurauksena puolijohteet varautuvat: n on positiivinen ja p on negatiivinen. Kun siirtymävyöhykkeellä syntyvä sähkökenttä alkaa haitata elektronien ja reikien liikkumista, diffuusio pysähtyy.

Kun pn-liitos kytketään eteenpäin, se kuljettaa virran itsensä läpi. Jos kytket pn-liitoksen vastakkaiseen suuntaan, se ei käytännössä läpäise virtaa.

Seuraava kaavio näyttää pn-liitoksen myötä- ja taaksepäinkytkennän virta-jännite-ominaisuudet.

Puolijohdediodin valmistus

Yhtenäinen viiva osoittaa pn-liitoksen suoran kytkennän virta-jännite-ominaisuuden ja katkoviiva käänteisen kytkennän.
Kaaviosta voidaan nähdä, että pn-liitos on epäsymmetrinen virran suhteen, koska eteenpäin suunnassa liitoksen resistanssi on paljon pienempi kuin päinvastaisessa suunnassa.

Pn-liitoksen ominaisuuksia käytetään laajasti sähkövirran tasasuuntaamiseen. Tätä varten tehdään pn-liitoksen perusteella puolijohdediodi.

Tyypillisesti puolijohdediodien valmistukseen käytetään germaniumia, piitä, seleeniä ja monia muita aineita. Tarkastellaanpa yksityiskohtaisemmin pn-liitoksen luomisprosessia germaniumilla n-tyypin puolijohteen kanssa.

Tällaista siirtymää ei voida saavuttaa yhdistämällä mekaanisesti kaksi puolijohdetta, joilla on erilainen johtavuus. Tämä ei ole mahdollista, koska puolijohteiden välinen rako on liian suuri.

Ja pn-liitoksen paksuuden ei tarvitse olla enempää kuin atomien väliset etäisyydet. Tämän välttämiseksi indium sulatetaan yhdelle näytepinnasta.

Puolijohdediodin luomiseksi p-tyyppinen seostettu puolijohde, joka sisältää indiumatomeja, kuumennetaan korkeaan lämpötilaan. Paria n-tyypin epäpuhtauksia kerrostuu kiteen pinnalle. Lisäksi diffuusion vuoksi ne viedään itse kiteen.

Kiteen pinnalle, jolla on p-tyyppinen johtavuus, muodostuu alue, jolla on n-tyyppinen johtavuus. Seuraava kuva näyttää kaavamaisesti, miltä tämä näyttää.

Ilman ja valon vaikutuksen estämiseksi kristalliin se asetetaan suljettuun metallikoteloon. Piirikaavioissa diodi on merkitty seuraavalla erikoiskuvakkeella.

Puolijohdetasasuuntaajilla on erittäin korkea luotettavuus ja pitkä käyttöikä. Niiden suurin haitta on, että ne voivat toimia vain pienellä lämpötila-alueella: -70 - 125 astetta.

Puolijohdediodit

Puolijohdediodi on sähköpiirin elementti, jossa on kaksi napaa ja jolla on yksipuolinen sähkönjohtavuus. Kaikki puolijohdediodit voidaan jakaa kahteen ryhmään: tasasuuntaaja ja erikois. Tasasuuntaajadiodit, kuten nimestä voi päätellä, on suunniteltu tasasuuntaamaan vaihtovirtaa. Vaihtojännitteen taajuudesta ja muodosta riippuen ne jaetaan korkeataajuisiin, matalataajuisiin ja pulssiin. Erikoistyypeissä puolijohdediodeissa on erilaisia ​​ominaisuuksia pn siirtymät: hajoamisilmiö, estekapasitanssi, negatiivisen resistanssin omaavien osien läsnäolo jne.

Tasasuuntausdiodit jaetaan rakenteellisesti taso- ja pistediodit sekä valmistustekniikan mukaan metalliseos-, diffuusio- ja epitaksiaalisiin. Tasomaiset diodit suuren alueen takia pn-liitoksia käytetään suurten virtojen tasasuuntaamiseen. Pistediodeissa on pieni liitosalue, ja vastaavasti ne on suunniteltu tasaamaan pieniä virtoja. Lumivyöryn läpilyöntijännitteen lisäämiseksi käytetään tasasuuntaajan napoja, jotka koostuvat sarjasta sarjaan kytkettyjä diodeja.

Suuritehoisia tasasuuntausdiodeja kutsutaan tehodiodeiksi. Tällaisten diodien materiaali on yleensä pii tai galliumarsenidi. Germaniumia ei käytännössä käytetä käänteisen virran voimakkaan lämpötilariippuvuuden vuoksi. Piiseoksesta valmistettuja diodeja käytetään tasasuuntaamaan vaihtovirtaa 5 kHz asti. Piin diffuusiodiodit voivat toimia korkeilla taajuuksilla aina 100 kHz asti. Metallisella alustalla (Schottky-sulkulla) varustettuja silikoniepitaksisia diodeja voidaan käyttää 500 kHz:n taajuuksilla. Galliumarsenididiodit pystyvät toimimaan useiden MHz:iden taajuusalueella.

Diodien toiminta perustuu elektronireikäsiirtymän käyttöön - ohueen materiaalikerrokseen kahden erityyppisen sähkönjohtavuuden omaavan alueen välillä. n ja p. Tämän siirtymän pääominaisuus on epäsymmetrinen sähkönjohtavuus, jossa kide siirtää virtaa yhteen suuntaan ja ei kulje toiseen. Elektronireikäsiirtymän laite on esitetty kuvassa 1.1, a. Yksi osa siitä on seostettu luovuttajaepäpuhtaudella ja sillä on elektroninen johtavuus ( n-alue); toisessa, joka on seostettu akseptoriepäpuhtaudella, on reikäjohtavuus ( p-alue). Kantajapitoisuudet alueilla vaihtelevat jyrkästi. Lisäksi molemmat osat sisältävät pienen pitoisuuden vähemmistökannettajia.

Kuva 1.1. pn siirtyminen:

a - laite, b - tilavaraukset

Elektronit sisään n- alueet pyrkivät tunkeutumaan sisään p- alue, jossa elektronipitoisuus on paljon pienempi. Samoin reikiä sisään p-alueita siirretään n-alue. Vastakkaisten varausten vastaantulevan liikkeen seurauksena syntyy ns. diffuusiovirta. Elektronit ja reiät, jotka ovat kulkeneet rajapinnan läpi, jättävät jälkeensä vastakkaisia ​​varauksia, jotka estävät diffuusiovirran kulkemisen edelleen. Tämän seurauksena dynaaminen tasapaino muodostuu rajalla ja sulkeutuessa p- ja n- alueet, joissa piirissä ei kulje virtaa. Tilavaraustiheyden jakauma siirtymässä on esitetty kuvassa 1.1, b. Tässä tapauksessa kiteen sisällä rajapinnassa on oma sähkökenttä E oct. , jonka suunta on esitetty kuvassa 1.1, a. Sen intensiteetti on suurin rajapinnassa, jossa tilavarauksen etumerkki muuttuu äkillisesti. Ja sitten puolijohde on neutraali.

Mahdollinen esteen korkeus klo pn siirtymä määräytyy kosketuspotentiaalieron mukaan n- ja p-alueet, mikä puolestaan ​​riippuu epäpuhtauksien pitoisuudesta niissä:

, (1.1)

missä on lämpöpotentiaali, N n ja Pp ovat elektronien ja reikien pitoisuudet n- ja p-alueet, n i on varauksenkuljettajien pitoisuus seostamattomassa puolijohteessa.

Kontaktipotentiaaliero germaniumilla on 0,6 ... 0,7 V ja piillä - 0,9 ... 1,2 V. Potentiaaliesteen korkeutta voidaan muuttaa kytkemällä siihen ulkoinen jännite pn siirtyminen. Jos ulkoisen jännitteen kenttä on sama kuin sisäisen jännitteen kenttä, potentiaaliesteen korkeus kasvaa; kun käytetty jännite käännetään, esteen korkeus pienenee. Jos syötetty jännite on yhtä suuri kuin kosketuspotentiaaliero, potentiaalisulku katoaa kokonaan.

Tästä syystä, jos ulkoinen jännite alentaa potentiaalisulkua, sitä kutsutaan suoraksi, ja jos se lisää sitä, sitä kutsutaan käänteiseksi.

Ideaalidiodin symboli ja virta-jänniteominaisuus (CVC) on esitetty kuvassa 1.2.

Lähtöä, johon on kohdistettava positiivinen potentiaali, kutsutaan anodiksi, negatiivisella potentiaalilla olevaa lähtöä katodiksi (kuva 1.2, a). Ihanteellisella diodilla johtavassa suunnassa on nollaresistanssi. Ei-johtavassa suunnassa - äärettömän suuri vastus (kuva 1.2, b).

Kuva 1.2 Symboli (a) ja CVC

ihanteellisen diodin ominaisuus (b)

puolijohteissa R-tyyppi, reiät ovat pääkannattimia. Reiän sähkönjohtavuus luotiin lisäämällä akseptoriepäpuhtauden atomeja. Niiden valenssi on yksi pienempi kuin puolijohdeatomien valenssi. Tässä tapauksessa epäpuhtausatomit vangitsevat puolijohdeelektroneja ja luovat reikiä - liikkuvia varauksenkuljettajia.

puolijohteissa n-tyyppi tärkeimmät kantajat ovat elektroneja. Elektroninen sähkönjohtavuus luodaan lisäämällä luovuttajaepäpuhtausatomeja. Niiden valenssi on yksi enemmän kuin puolijohdeatomien valenssi. Muodostaessaan kovalenttisia sidoksia puolijohdeatomien kanssa epäpuhtausatomit eivät käytä yhtä elektronia, joka vapautuu. Itse atomeista tulee liikkumattomia positiivisia ioneja.

Jos jännitelähde on kytketty diodin ulkoisiin liittimiin eteenpäin, tämä jännitelähde luo kaupunginosa siirtymäsähkökenttä, joka on suunnattu sisäpuolelle. Tuloksena oleva kenttä pienenee. Tämä käynnistää diffuusioprosessin. Diodipiirissä kulkee tasavirta. Mitä suurempi ulkoisen jännitteen arvo, sitä pienempi on sisäisen kentän arvo, mitä kapeampi estokerros on, sitä suurempi on myötävirran arvo. Ulkoisen jännitteen kasvaessa tasavirta kasvaa eksponentiaalisesti (kuva 1.3). Kun ulkoisen jännityksen tietty arvo saavutetaan, sulkukerroksen leveys pienenee nollaan. Myötävirtaa rajoittaa vain tilavuusvastus ja se kasvaa lineaarisesti jännitteen kasvaessa.

Kuva 1.3. IV oikean diodin ominaisuus

Tässä tapauksessa jännitehäviö diodin yli on myötäsuuntainen jännitehäviö. Sen arvo on pieni ja riippuu materiaalista:

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

piitä Si: U pr\u003d (0,6 - 1) V.

Jos muutat ulkoisen jännitteen napaisuutta, tämän lähteen sähkökenttä on sama kuin sisäinen. Tuloksena oleva kenttä kasvaa, estekerroksen leveys kasvaa ja virta ei ihannetapauksessa kulje vastakkaiseen suuntaan; mutta koska puolijohteet eivät ole ihanteellisia ja tärkeimpien matkaviestinoperaattoreiden lisäksi on olemassa pieni määrä vähäisiä, seurauksena on käänteinen virta. Sen arvo riippuu vähemmistökantoaaltojen pitoisuudesta ja on yleensä muutamasta kymmeniin mikroampeereihin.

Vähemmistökantoaaltojen pitoisuus on pienempi kuin suurten kantoaaltojen pitoisuus, joten käänteisvirta on pieni. Tämän virran suuruus ei riipu käänteisen jännitteen suuruudesta. Piin vastavirta on useita suuruusluokkia pienempi kuin germaniumilla, mutta piidiodeissa on suurempi eteenpäin suunnattu jännitehäviö. Vähemmistökantoaaltojen pitoisuus riippuu lämpötilasta, ja sen kasvaessa käänteisvirta kasvaa, joten sitä kutsutaan lämpövirraksi I o:

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

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

On olemassa likimääräinen kaava

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

missä T*- lämpötilan lisäys, joka vastaa lämpövirran kaksinkertaistamista,

T*Ge=8...10 °C; T*Si= 6 °C.

VAC:n analyyttinen lauseke r-p siirtymä näyttää tältä:

, (1.2)

missä U on käytetty ulkoinen jännite.

20°C lämpötilaan φ t = 0,025 V.

Lämpötilan nousun seurauksena lämpövirran lisääntymisestä ja potentiaaliesteen pienenemisestä, puolijohdekerrosten resistanssin laskusta, I–V-ominaisuuden suoran haaran siirtyminen tapahtuu suurten virtojen alueella. . Puolijohteiden tilavuusvastus pienenee n ja R. Seurauksena on, että eteenpäin suuntautuva jännitehäviö on pienempi. Lämpötilan noustessa pää- ja sivukantajien pitoisuuksien välisen eron pienentyessä sulkukerroksen potentiaalisulku pienenee, mikä johtaa myös U pr, koska sulkukerros katoaa pienemmällä jännitteellä.

Sama virta vastaa eri lähtöjännitteitä (kuva 1.4), muodostaen erotuksen DU,

missä e- jännitteen lämpötilakerroin.

Jos virta diodin läpi on vakio, jännitehäviö diodin yli pienenee. Lämpötilan noustessa yhdellä asteella myötäjännitehäviö pienenee 2 mV.

Riisi. 1.4 VAC r-p siirtymä kuvassa. 1.5. CVC germaniumin ja

eri lämpötiloissa piidiodeja

Lämpötilan noustessa virta-jännite-ominaisuuden vastahaara siirtyy alaspäin (kuva 1.4). Germaniumdiodien käyttölämpötila-alue on 80 °C, piidiodien 150 °C.

Germanium- ja piidiodien IV ominaisuudet on esitetty kuvassa 1.5.

Differentiaalinen vastus r-p siirtymä (kuva 1.6):

(1.3)

Virran kasvaessa r d- pienenee.

Kuva 1.6 Differentiaalin määritelmä

diodin vastus

DC vastus r-p siirtymä: .

Tasavirtavastus on ominaista origosta tiettyyn pisteeseen vedetyn suoran kaltevuuskulman kertoimella. Tämä vastus riippuu myös virran suuruudesta: I:n kasvaessa vastus pienenee . R Ge< R Si .

Puolijohdediodin IV-ominaiskäyrä eroaa jonkin verran ideaalisen diodin IV-ominaiskäyrästä. Joten johtuen virtavuodosta kiteen pinnan läpi, todellinen käänteisvirta on suurempi kuin lämpövirta. Näin ollen todellisen diodin käänteinen vastus on pienempi kuin ideaalin. r-p siirtyminen.

Myötäjännitehäviö on suurempi kuin ihanteellinen r-p siirtyminen. Tämä johtuu jännitteen pudotuksesta puolijohdekerrosten välillä. R ja P tyyppi. Lisäksi todellisissa diodeissa yksi kerroksista R tai P siinä on suurempi pitoisuus tärkeimpiä kantajia kuin toisessa. Kerrosta, jossa on suuri pitoisuus pääkantoaaltoja, kutsutaan emitteriksi; sillä on mitätön vastus. Kerrosta, jossa on pienempi enemmistön kantaja-ainepitoisuus, kutsutaan pohjaksi. Siinä on melko paljon vastustusta.

Myötäsuuntaisen jännitehäviön kasvu johtuu jännitehäviöstä kantavastuksen yli.

Puolijohdediodeja sisältävien elektronisten piirien laskemiseksi on välttämätöntä esittää ne vastaavien piirien muodossa. Puolijohdediodin ekvivalenttipiiri CVC:n paloittain lineaarisella approksimaatiolla on esitetty kuvassa 1.7. Kuva 1.8 esittää vastaavat piirit käyttämällä ideaalidiodin I–V-ominaisuuksia ja ideaalidiodin IV–V-ominaisuuksia pn siirtymä ( r d on diodin vastus, r on diodin vuotovastus).

Kuva 1.7. Diodin virta-jännite-ominaisuuden likiarvo

lineaariset segmentit

Kuva 1.8. Diodien vaihtaminen I-V-ominaisuuksilla

ihanteellinen diodi (a) ja CVC ihanteellinen pn siirtymä (b)

Diodin toiminta piirissä kuormalla. Tarkastellaan yksinkertaisinta piiriä, jossa on diodi ja vastus, ja bipolaarisen jännitteen vaikutusta sen sisääntulossa (kuva 1.9). Piirielementtien jännitteen jakautumiskuvio määräytyy kuormituslinjojen sijainnin mukaan (kuva 1.10) - diodin CVC:n kaaviossa kaksi pistettä on piirretty jänniteakselia pitkin molempiin suuntiin. +U m ja – U m syöttöjännite, joka vastaa jännitettä diodin yli, kun kuorma on oikosulussa R n, ja virrat kerrostuvat virran akselille molempiin suuntiin U m / R n ja - U m / R n, joka vastaa oikosuljettua diodia. Nämä kaksi pistettä on yhdistetty pareittain suorilla viivoilla, joita kutsutaan kuormituksiksi. Kuormalinjan risteykset R n ensimmäisessä ja kolmannessa neljänneksessä haaroilla

Diodin I–V-ominaisuudet syöttöjännitteen kullekin vaiheelle vastaavat

Riisi. 1.9. Piiri diodilla ja kuva. 1.10. CVC-diodi kuormalla

suora kuorma

niiden identtiset virrat (mikä on tarpeen, kun ne on kytketty sarjaan) ja määrittävät toimintapisteiden sijainnin.

positiivinen puoliaalto U>0, U = Um.

Tämä napaisuus on suora diodille. Virta ja jännite täyttävät aina virta-jännite -ominaisuuden:

,

sitä paitsi:

U d \u003d U m - I d R H;

klo I d \u003d 0, U d \u003d U m;

klo U d \u003d 0, I d \u003d U m / R H;

suoralla yhteydellä U m >> U pr(Kuva 1.10).

Käytännön sovelluksessa U pr>0 (U pr- eteenpäin jännite), kun diodi on auki. Kun diodi toimii eteenpäin, sen yli oleva jännite on minimaalinen - ( Ge-0,4V; Si-0,7 V), ja sen voidaan katsoa olevan suunnilleen nolla. Virta on tällöin maksimi.

Kuva 1.11. Jännite- ja virtasignaalit diodipiirissä kuormalla

.

negatiivinen puoliaalto U<0, U= -U m .

Diodin ominaisuus on sama, mutta

U d \u003d -U m -I d R H,;

I d \u003d 0, U d \u003d U m;

Ud = 0, Id = Um/RH; U H<

Kapasiteetit r-p siirtyminen. Kun se on päällä r-p siirtyminen vastakkaiseen suuntaan sekä alueen pienillä lähtöjännitteillä r-p siirtymävaiheessa on kaksinkertainen sähköinen kerros: sisään R alueet - negatiivinen, sisään P alueet - positiivinen.

Kompensoimattoman varauksen kertyminen tähän kerrokseen johtaa kapasitanssin ilmenemiseen r-p siirtymä, jota kutsutaan sulkukapasitanssiksi. Se kuvaa kertyneen varauksen muutosta ulkoisen jännitteen muutoksella kuvan 1.12 mukaisesti. C b \u003d dQ / dU .

Riisi. 1.12. Esteen kapasitanssiriippuvuus

käänteisjännitteestä.

Esteen kapasitanssi riippuu geometrisista mitoista r-p siirtyminen. Lisäyksen kanssa U arr leveys r-p siirtymä kasvaa ja kapasitanssi pienenee.

Kun diodi kytketään päälle eteenpäin, sulkukapasitanssi käytännössä katoaa ja diodin pohjakerrokseen kerääntyy emitteristä siirtyviä vähemmistökantoaaltoja. Tämä varauksen kerääntyminen luo myös kapasitanssiefektin, jota kutsutaan diffuusiokapasitanssiksi. C d yleensä ylittää C b.

Diffuusiokapasiteetti määritetään C d \u003d dQ d / dU.

Nämä kapasitanssit vaikuttavat diodien toimintaan korkeilla taajuuksilla. Kapasiteetit r-p siirtymä sisältyy vastaavaan piiriin (kuva 1.13).

Riisi. 1.13. Diodiekvivalenttipiirit ottaen huomioon kapasitanssit:

a – estekapasitanssi; b - diffuusiokapasiteetti

Transienttiprosessit diodeissa. Kun diodit toimivat suurtaajuisilla signaaleilla (1-10 MHz), siirtymäprosessi ei-johtavasta tilasta johtavaan tilaan ja päinvastoin ei tapahdu välittömästi, koska siirtymässä on kapasitanssia kertymisen vuoksi. varauksista diodin kannassa.

Kuvassa 1.14 on diodin läpi tapahtuvien virranmuutosten ja kuorman ajoituskaaviot suorakulmaisilla syöttöjännitteen pulsseilla. Diodipiirin kapasitanssit vääristävät pulssien etu- ja takareunaa, jolloin absorptioaika näkyy tp.

Kun valitset diodia tietylle piirille, sen taajuusominaisuudet ja nopeus on otettava huomioon.

Riisi. 1.14. Ohimenevät prosessit klo

vaihtodiodi:

t f1- siirtymän etureunan kesto;

t f2- takareunan kesto;

tp- liukenemisaika.

Hajota r-p siirtyminen. Diodin käänteinen jännite ei voi nousta mielivaltaisen suureen arvoon. Tietyllä käänteisjännitteellä, joka on ominaista kullekin diodille, käänteisvirta kasvaa jyrkästi. Tätä vaikutusta kutsutaan siirtymähäiriöksi. Erittelytyyppejä on useita (kuva 1.15):

1 - lumivyöryn rikkoutuminen, kun käänteisvirta lisääntyy ei-pääkantoaaltojen lumivyöryn lisääntymisen vuoksi;

Riisi. 1.15. CVC erityyppisille häiriöille

2-tunnelin rikkoutuminen, kun potentiaaliesteen ja sulkukerroksen ylittäminen tapahtuu tunneliilmiön vuoksi.

Lumivyöryn ja tunnelin rikkoutumisen aikana käänteisvirta kasvaa vakiolla käänteisjännitteellä.

Nämä ovat sähkövikoja. Ne ovat palautuvia. Poistamisen jälkeen U arr diodi palauttaa ominaisuutensa.

3- lämpö hajoaminen, se tapahtuu, kun lämpömäärä vapautuu r-p risteyksessä, diodin pinta luovuttaa enemmän lämpöä ympäristöön. Kuitenkin lämpötilan noustessa r-p siirtymävaiheessa vähemmistökantoaaltojen pitoisuus kasvaa, mikä johtaa vieläkin suurempaan käänteisen virran kasvuun, mikä puolestaan ​​​​johtaa lämpötilan nousuun jne. Koska germaniumpohjaisista diodeista minä arr enemmän kuin piipohjaisilla diodeilla, niin ensimmäisillä lämpövaurion todennäköisyys on suurempi kuin jälkimmäisellä. Siksi piidiodien maksimi käyttölämpötila on korkeampi (150 o ... 200 o C) kuin germaniumdiodien (75 o ... 90 o C).

Tällä erittelyllä r-p siirtymä tuhoutuu.

Testikysymykset.

1. Mikä on puolijohdediodi? Ihanteellisen ja todellisen diodin virta-jännite ominaisuus?

2. Mitä materiaaleja käytetään puolijohdediodien valmistukseen? Kuinka luoda puolijohdesubstraattiin yhden tai toisen tyyppisen johtavuuden alueita?

3. Mikä on rajalla oleva kiteen sisäinen sähkökenttä p-n- siirtyminen? Miten se muuttuu, kun kytketään ulkoinen jännite?

4. Mikä selittää yksisuuntaisen johtumisen vaikutuksen? p-n- liitos puolijohteessa?

5. Virta-jännite-ominaisuudet pn-siirtymät germanium- ja piidiodeille ulkoisen lämpötilan muuttuessa?

6. Miten diodin erovastus määritetään?

7. Miten kuormitussuoralla olevan diodin virta-jännite-ominaisuudet muodostetaan?

8. Selitä diodin sulku- ja diffuusiokapasitanssien muodostumismekanismi? Miten ne vaikuttavat diodin toimintaan AC-piireissä?

Luento 2 Erikoistyypit