Depinde foarte mult de concentrația de impurități. Semiconductorii ale căror proprietăți electrofizice depind de impuritățile altor elemente chimice se numesc semiconductori de impurități. Există două tipuri de impurități, donor și acceptor.

Donator se numeste o impuritate, ai carei atomi dau semiconductorului electroni liberi, iar conductivitatea electrica obtinuta in acest caz, asociata cu miscarea electronilor liberi, este electronic. Un semiconductor cu conductivitate electronică se numește semiconductor electronic și este notat în mod convențional cu litera latină n - prima literă a cuvântului „negativ”.

Să luăm în considerare procesul de formare a conductibilității electronice într-un semiconductor. Luăm siliciul ca principal material semiconductor (semiconductorii de siliciu sunt cei mai comune). Siliciul (Si) are patru electroni pe orbita exterioară a atomului, care îi determină proprietățile electrofizice (adică se mișcă sub influența tensiunii pentru a crea un curent electric). Când atomii de impurități de arsen (As) sunt introduși în siliciu, care are cinci electroni pe orbita exterioară, patru electroni interacționează cu patru electroni ai siliciului, formând o legătură covalentă, iar al cincilea electron al arsenului rămâne liber. În aceste condiții, se separă cu ușurință de atom și are posibilitatea de a se mișca în substanță.

acceptor O impuritate se numește impuritate ai cărei atomi acceptă electroni de la atomii semiconductorului principal. Conductivitatea electrică rezultată, asociată cu mișcarea sarcinilor pozitive - găuri, se numește gaură. Un semiconductor cu conductivitate electrică în găuri se numește semiconductor în găuri și este notat în mod convențional cu litera latină p - prima literă a cuvântului „pozitiv”.

Să luăm în considerare procesul de formare a conductibilității găurii. când atomii de impurități de indiu (In) sunt introduși în siliciu, care are trei electroni pe orbita exterioară, ei se leagă de trei electroni de siliciu, dar această legătură se dovedește a fi incompletă: mai lipsește un electron pentru a se lega cu al patrulea electron al siliciu. Atomul de impuritate atașează electronul lipsă de la unul dintre atomii din apropiere ai semiconductorului principal, după care devine legat de toți cei patru atomi vecini. Datorită adăugării unui electron, acesta capătă o sarcină negativă în exces, adică se transformă într-un ion negativ. În același timp, atomul semiconductor, din care a plecat al patrulea electron pentru atomul de impurități, se dovedește a fi conectat cu atomii învecinați prin doar trei electroni. astfel, există un exces de sarcină pozitivă și apare o legătură neumplută, adică gaură.

Una dintre proprietățile importante ale unui semiconductor este că, în prezența găurilor, un curent poate trece prin el, chiar dacă nu există electroni liberi în el. Acest lucru se datorează capacității găurilor de a se muta de la un atom semiconductor la altul.

Mișcarea „găurilor” într-un semiconductor

Prin introducerea unei impurități donor într-o parte a unui semiconductor și a unei impurități acceptoare într-o altă parte, este posibil să se obțină regiuni cu conductivitate de electroni și orificii în ea. O așa-numită tranziție electron-gaură se formează la granița dintre regiunile conducției electronice și gaura.

Joncţiunea P-N

Luați în considerare procesele care au loc atunci când trece curentul tranziție electron-gaură. Stratul din stânga, etichetat n, este conductor electronic. Curentul din acesta este asociat cu mișcarea electronilor liberi, care sunt indicați în mod convențional prin cercuri cu semnul minus. Stratul din dreapta, notat cu litera p, are conductivitate în găuri. Curentul din acest strat este asociat cu mișcarea găurilor, care sunt indicate prin cercuri cu un „plus” în figură.

Mișcarea electronilor și a găurilor în modul de conducere directă

Mișcarea electronilor și a găurilor în regim de conducție inversă.

Când semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate intră în contact, electronii din cauza difuziune va începe să se deplaseze în regiunea p, iar găurile - în regiunea n, drept urmare stratul limită al regiunii n este încărcat pozitiv, iar stratul limită al regiunii p este încărcat negativ. Între regiuni apare un câmp electric, care este, parcă, bariere pentru principalii purtători de curent, datorită căruia se formează o regiune cu o concentrație redusă de sarcină în joncțiunea p-n. Câmpul electric din joncțiunea p-n se numește barieră de potențial, iar joncțiunea p-n se numește strat de blocare. Dacă direcția câmpului electric extern este opusă direcției câmpului joncțiunii p-n ("+" în regiunea p, "-" în regiunea n), atunci bariera de potențial scade, concentrația sarcinilor în joncțiunea p-n crește, lățimea și, prin urmare, rezistența de tranziție scade. Când se schimbă polaritatea sursei, câmpul electric extern coincide cu direcția câmpului joncțiunii p-n, lățimea și rezistența joncțiunii crește. Prin urmare, joncțiunea p-n are proprietăți de supapă.

dioda semiconductoare

diodă numit dispozitiv semiconductor cu conversie electrică cu una sau mai multe joncțiuni p-n și două cabluri. În funcție de scopul principal și de fenomenul utilizat în joncțiunea p-n, există mai multe tipuri funcționale principale de diode semiconductoare: redresoare, de înaltă frecvență, puls, tunel, diode zener, varicaps.

De bază caracteristicile diodelor semiconductoare este caracteristica curent-tensiune (VAC). Pentru fiecare tip de diodă semiconductoare, caracteristica I–V are o formă diferită, dar toate se bazează pe caracteristica I–V a unei diode redresoare de joncțiune, care are forma:

Caracteristica curent-tensiune (CVC) a diodei: 1 - caracteristica curent continuu-tensiune; 2 - caracteristica inversă curent-tensiune; 3 - zona de avarie; 4 - aproximarea rectilinie a caracteristicii curent continuu-tensiune; Upor este tensiunea de prag; rdyn este rezistența dinamică; Uprob - tensiune de avarie

Scara de-a lungul axei y pentru valorile negative ale curenților este aleasă de multe ori mai mare decât pentru cele pozitive.

Caracteristicile curent-tensiune ale diodelor trec prin zero, dar un curent suficient de vizibil apare numai atunci când tensiune de prag(U atunci), care pentru diodele cu germaniu este de 0,1 - 0,2 V, iar pentru diodele cu siliciu este de 0,5 - 0,6 V. În regiunea valorilor negative ale tensiunii pe diodă, la tensiuni deja relativ scăzute (U arr. ) apare curent invers(Am sosit). Acest curent este creat de purtători minoritari: electroni ai regiunii p și găuri ale regiunii n, a căror tranziție de la o regiune la alta este facilitată de o barieră de potențial în apropierea interfeței. Odată cu creșterea tensiunii inverse, nu are loc o creștere a curentului, deoarece numărul de purtători minoritari care apar la limita de tranziție pe unitatea de timp nu depinde de tensiunea aplicată din exterior, dacă aceasta nu este foarte mare. Curentul invers pentru diodele de siliciu este cu câteva ordine de mărime mai mic decât pentru cele cu germaniu. Creșterea în continuare a tensiunii inverse la tensiunea de avarie(U probe) duce la faptul că electronii din banda de valență trec în banda de conducție, există efect zener. În acest caz, curentul invers crește brusc, ceea ce determină încălzirea diodei, iar o creștere suplimentară a curentului duce la defalcarea termică și distrugerea joncțiunii p-n.

Desemnarea și definirea parametrilor electrici principali ai diodelor

Denumirea diodei semiconductoare

După cum am menționat mai devreme, dioda conduce curentul într-o direcție (adică, în mod ideal, este doar un conductor cu rezistență scăzută), în cealaltă direcție nu (adică se transformă într-un conductor cu rezistență foarte mare), într-un cuvânt , are conducere unilaterală. În consecință, el are doar două concluzii. Ele, așa cum s-a obișnuit încă din vremea tehnologiei lămpilor, sunt numite anod(concluzie pozitivă) și catod(negativ).

Toate diodele semiconductoare pot fi împărțite în două grupe: redresoare și speciale. Diode redresoare, după cum sugerează și numele, sunt concepute pentru a redresa curentul alternativ. În funcție de frecvența și forma tensiunii alternative, acestea sunt împărțite în frecvență înaltă, frecvență joasă și impuls. Special tipurile de diode semiconductoare folosesc diferite proprietăți ale joncțiunilor p-n; fenomen de defalcare, capacitatea de barieră, prezența zonelor cu rezistență negativă etc.

Diode redresoare

Din punct de vedere structural, diodele redresoare sunt împărțite în plane și punctiforme, iar în funcție de tehnologia de fabricație, în aliaje, difuzie și epitaxiale. Diodele plane, datorită suprafeței mari a joncțiunii p-n, sunt folosite pentru a rectifica curenți mari. Diodele punctuale au o zonă mică de joncțiune și, în consecință, sunt proiectate pentru rectificare curenti mici. Pentru a crește tensiunea de rupere în avalanșă, se folosesc poli redresoare, formați dintr-o serie de diode conectate în serie.

Se numesc diode redresoare de mare putere putere. Materialul pentru astfel de diode este de obicei siliciu sau arseniura de galiu. Diodele din aliaj de siliciu sunt folosite pentru a redresa curentul alternativ cu o frecvență de până la 5 kHz. Diodele de difuzie cu siliciu pot funcționa la frecvențe mai mari, până la 100 kHz. Diodele epitaxiale din siliciu cu substrat metalic (cu o barieră Schottky) pot fi utilizate la frecvențe de până la 500 kHz. Diodele cu arseniură de galiu sunt capabile să funcționeze în intervalul de frecvență de până la câțiva MHz.

Diodele de putere sunt de obicei caracterizate de un set de parametri statici și dinamici. La parametri statici diodele includ:

• cadere de tensiune U CR pe diodă la o anumită valoare a curentului direct;
• curent invers I arr la o anumită valoare a tensiunii inverse;
• Rău curent continuu eu pr.cf. ;
• impulsiv tensiune inversă U arr. ;

La parametrii dinamici dioda sunt caracteristicile sale de timp și frecvență. Aceste opțiuni includ:

• timp de recuperare t tensiune inversă;
• timpul de creștere curent continuu I out. ;
• frecvență limită fără a reduce modurile diodei f max .

Parametrii statici pot fi setați în funcție de caracteristica curent-tensiune a diodei.

Timpul de recuperare inversă al diodei tvos este parametrul principal al diodelor redresoare, care le caracterizează proprietățile inerțiale. Este determinată prin comutarea diodei de la un curent direct I CR dat la o tensiune inversă dată U arr. În timpul comutării, tensiunea pe diodă capătă valoarea opusă. Datorită inerției procesului de difuzie, curentul din diodă nu se oprește instantaneu, ci în timp t nar. În esență, există o resorbție a sarcinilor la limita joncțiunii p-n (adică o descărcare de capacitate echivalentă). Rezultă de aici că pierderile de putere în diodă cresc brusc atunci când este pornită, mai ales când este oprită. Prin urmare, pierderi în diodă crește odată cu creșterea frecvenței tensiunii redresate.

Când temperatura diodei se modifică, parametrii acesteia se modifică. Tensiunea directă a diodei și curentul ei invers depind cel mai mult de temperatură. Aproximativ, putem presupune că TKN (coeficient de temperatură de tensiune) Upr \u003d -2 mV / K, iar curentul invers al diodei are un coeficient pozitiv. Deci, cu o creștere a temperaturii la fiecare 10 ° C, curentul invers al diodelor cu germaniu crește de 2 ori, iar siliciul - de 2,5 ori.

Diode cu barieră Schottky

Pentru rectificarea tensiunilor mici de înaltă frecvență sunt utilizate pe scară largă diode de barieră Schottky. În aceste diode, în loc de o joncțiune p-n, se folosește o suprafață de contact cu metal. În punctul de contact, apar straturi semiconductoare epuizate în purtători de sarcină, care sunt numite straturi de închidere. Diodele cu barieră Schottky diferă de diodele cu joncțiune p-n în următoarele moduri:

• Mai mult drept jos cadere de tensiune;
• au mai multe revers scăzut Voltaj;
• Mai mult curent mare scurgeri;
• aproape fara plata recuperare inversă.

Două caracteristici principale fac ca aceste diode să fie indispensabile: căderea scăzută a tensiunii directe și timpul rapid de recuperare a tensiunii inverse. În plus, absența unor medii minore care necesită timp de recuperare înseamnă fizic nicio pierdere pentru a comuta dioda în sine.

Tensiunea maximă a diodelor Schottky moderne este de aproximativ 1200 V. La această tensiune, tensiunea directă a diodelor Schottky este mai mică decât tensiunea directă a diodelor cu o joncțiune p-n cu 0,2 ... 0,3 V.

Avantajele diodei Schottky devin deosebit de vizibile la redresarea tensiunilor joase. De exemplu, o diodă Schottky de 45 de volți are o tensiune directă de 0,4 ... 0,6 V, iar la același curent, o diodă de joncțiune p-n are o cădere de tensiune de 0,5 ... 1,0 V. Când tensiunea inversă scade la 15 V, tensiunea directă scade la 0,3 ... 0,4 V. În medie, utilizarea diodelor Schottky în redresor face posibilă reducerea pierderilor cu aproximativ 10 ... 15%. Frecvența maximă de funcționare a diodelor Schottky depășește 200 kHz.

Teoria este bună, dar fără aplicare practică sunt doar cuvinte.

În prezent, trei grupuri principale de metode sunt utilizate pentru a fabrica joncțiuni în arseniura de galiu: difuzie, epitaxie în fază de vapori și epitaxie în fază lichidă. Metoda de fuziune, care a fost folosită anterior în tehnologia semiconductoarelor, nu mai este utilizată în tehnologia PCD, deoarece nu produce o tranziție electron-gaură sculptată și plată și, prin urmare, nu este adecvată pentru fabricarea de diode laser. Prin urmare, acum principalele metode de fabricare a diodelor PCG sunt difuzia și epitaxia.

8.3.1. Metoda de difuzie

Teoria difuziei se bazează pe presupunerea că atomii de impurități nu interacționează între ei în timpul difuziei, iar viteza de difuzie nu depinde de concentrația lor. Pe baza acestei ipoteze, sunt derivate ecuațiile fundamentale ale difuziei - legile lui Fick. Prima lege a lui Fick definește fluxul de difuzie ca o cantitate proporțională cu gradientul de concentrație (în condiții izoterme cu difuzie unidimensională)

unde este concentrația atomilor care difuzează; x - coordonata distanta; coeficient de difuzie.

A doua lege a lui Fick determină viteza de difuzie

Pe baza acestor legi, se poate găsi distribuția concentrației de impurități într-o probă semilimitată. Pentru cazul în care concentrația inițială în cea mai mare parte a cristalului este aproape de zero și concentrația la suprafață este și rămâne constantă, concentrația de impurități după timpul x la adâncimea x este egală cu

Dacă difuzia are loc dintr-un strat subțire cu o grosime de concentrație de impurități pe unitate

suprafață, atunci distribuția impurităților este exprimată prin ecuație

Determinarea profilurilor de concentrație a distribuției impurităților în probă se realizează fie prin metoda trasoarelor radioactive, fie prin metoda sondei de măsurare a „împrăștierii rezistenței” de-a lungul tăieturii oblice a probei.

Dependența de temperatură a coeficientului de difuzie are forma

Cu toate acestea, această dependență nu se menține întotdeauna în semiconductori binari din cauza abaterilor de la legea lui Fick, deoarece impuritatea interacționează cu una dintre componentele compusului sau cu locurile libere formate ca urmare a evaporării unei componente volatile în timpul disocierii compusului. Uneori, ca urmare a interacțiunii unei impurități cu componentele unui compus, se formează noi compuși care sunt mai stabili decât semiconductorul binar original. În compușii de tip difuzie, difuzia are loc prin mișcarea atomilor de-a lungul locurilor subrețelei elementelor grupelor III și V. Energia de activare a difuziei în acest caz depinde de tipul de subrețea, prin nodurile căreia are loc difuzia. Cu toate acestea, acest mecanism nu este singurul; posibilă, de exemplu, este difuzarea unei impurități de-a lungul interstițiilor. Difuzia diferitelor impurități în semiconductori binari este luată în considerare în recenzii. Datele despre difuzia impurităților în arseniura de galiu sunt date în tabel. 8.3.

Fabricarea joncțiunilor prin difuzie se poate face prin difuzarea atât a donatorilor în arseniura de galiu de tip - cât și a acceptoarelor în materialul de tip -. Deoarece difuzia donatorilor este foarte lentă, difuzarea acceptorilor este de obicei efectuată. Cei mai obișnuiți dopanți utilizați pentru fabricarea injectării sunt acceptorul - zinc și donorul - teluriu. Industria produce monocristale de arseniura de galiu, destinate producerii de PKG, dopat cu telur la concentratii Acestea

(click pentru a vizualiza scanarea)

concentrațiile, așa cum se arată mai sus, și sunt optime. O tranziție electron-gaură în plăcile tăiate din aceste monocristale este produsă prin difuzie de zinc, care permite, la temperaturi nu prea ridicate, să se producă rapid o tranziție la orice adâncime dorită.

Plăcile de arseniură de galiu furnizate pentru difuzie trebuie pregătite special. În primul rând, un plan cu indice (100) este dezvăluit în cristal prin metoda cu raze X. Apoi cristalul este tăiat în plăci paralele cu acest plan cristalografic. Alegerea planului este determinată de următoarele considerații. Cristalele compușilor sunt scindate cu ușurință de-a lungul planului (110). În structura cubică a sfaleritei, care este caracteristică acestor compuși, există trei (110) planuri perpendiculare pe planul (111) și două perpendiculare (100). Dacă se alege planul (111), pot fi fabricate diode PKG triunghiulare.

Diodele cu rezonatoare tipice Fabry-Perot sunt fabricate cu ușurință din plăci tăiate paralel cu planul (100) printr-un simplu dublu clivaj de-a lungul (110). Aceste planuri rezonatoare trebuie să fie strict perpendiculare pe viitoarea tranziție, deoarece grosimea stratului activ al diodei este de numai 1-2 microni. În consecință, abaterile nesemnificative ale planului rezonatorului pot duce la emisia de radiații din regiunea activă. Pentru a îndeplini această cerință, o parte a plăcii este măcinată cu pulbere de 5 µm perpendicular pe planurile scindate înainte de difuzie. Suprafața șlefuită a plăcii este lustruită manual pe sticlă cu pulbere de lustruit (dimensiunea granulelor mai întâi 1 µm și apoi 0,3 µm). Uneori se folosește și lustruirea chimică.

Procesul de difuzie a zincului într-o placă lustruită de arseniură de galiu se realizează fie într-un volum închis (într-o fiolă sigilată), fie într-un sistem de curgere. Mai des, însă, se folosește un sistem închis. Pentru a face acest lucru, fiola este pompată în prealabil la o presiune reziduală de aproximativ mm Hg. Artă. Ca sursă de zinc se iau fie zinc elementar, fie compușii săi, ultimul compus este un amestec de faze solide, raportul

care se aleg in functie de conditiile de temperatura de difuzie. Dacă zincul elementar este utilizat ca sursă de impurități, atunci arsenul elementar este de asemenea plasat în fiolă în raport sau După cum se va arăta mai jos, presiunea arsenului din fiolă este de mare importanță în acest proces.

Există trei variante de procese de difuzie utilizate în tehnologie pentru a forma joncțiuni.

1. Difuziunea zincului într-o singură etapăîntr-o atmosferă de arsen într-o placă (100) sau (111) se efectuează la o temperatură de zinc și arsenul este încărcat în fiolă în raport cu concentrația lor totală în faza gazoasă ar trebui să fie După sfârșitul procesului, fiola se răcește rapid cu apă. Durata procesului este aleasă în funcție de adâncimea dorită a tranziției.

Ca rezultat al difuziei de trei ore în aceste condiții, tranziția se formează la o adâncime de aproximativ 20 μm.

2. Difuzia zincului urmată de recoacere în atmosferă de arsenic. Procesul de difuzie este similar cu cel descris mai sus, dar la sfârșitul procesului de difuzie, placa este plasată într-o altă fiolă, unde se pune și arsenul într-o cantitate.Fiola cu sarcina este pompată la mm Hg. Artă. și păstrat într-un cuptor la o temperatură de 900 °C pentru recoacere contribuie la extinderea zonei compensate, alinierea stratului de tranziție activ și crearea unei tranziții netede și neclare. Conditiile optime sunt urmatoarele: etapa I (difuzie) - temperatura raport concentratie zinc durata etapa I etapa II (coacere) - temperatura 900 sau - durata concentratiei arsenului stadiul II Adâncimea de difuzie în aceste conditii este de aproximativ 8 microni.

3. Difuzie în trei etape. La procesul de difuzie în două etape descris mai sus, se adaugă o a treia etapă - o difuzie superficială a zincului pentru a forma un strat

La sfârșitul procesului de difuzie și de răcire a fiolei, placa de arseniură de galiu este îndepărtată și marginea acesteia este tăiată pentru a identifica tranziția, a determina adâncimea apariției acesteia și a observa vizual caracteristicile acesteia: uniformitate, lățime etc. la

pentru a face tranziția clar vizibilă, așchiul este gravat într-o soluție sau o picătură de soluție este aplicată pe suprafața ciobită și ținută timp de 15-30 s, după care placa este clătită cu apă distilată. Pe suprafața gravată se pot observa două linii: linia inferioară definește limita de tranziție, iar cea superioară este locul unde începe degenerarea materialului de tip β.

Mecanismul de difuzie a zincului în arseniura de galiu. Distribuția concentrației de zinc în arseniura de galiu ca urmare a difuziei este anormală. Pentru difuzia zincului la temperaturi de mai jos, aceasta poate fi descrisă prin funcția de eroare Gaussiană, adică ecuațiile (8.4) și (8.5); în acest caz, valorile coeficienților de difuzie pot fi calculate ținând cont de parametrii dați în tabel. 8.3. Pentru temperaturi de difuzie peste 800°C, distribuția zincului în arseniura de galiu nu urmează acest model clasic. Exemple tipice de distribuție anormală a zincului sunt prezentate în fig.

8.13 pentru difuzia la temperatura in timpul

Fenomenele anormale din timpul difuzării zincului în arseniura de galiu fac obiectul a numeroase studii. S-au remarcat următoarele fapte.

Orez. 8.13. Profiluri de distribuție a concentrației de zinc într-o placă de arseiid de galiu pentru diferite concentrații de suprafață la o temperatură de difuzie și o durată de aproximativ

La temperaturi de difuzie mai mari, coeficientul de difuzie al zincului depinde puternic de concentrația de arsen, iar solubilitatea zincului în arseniura de galiu crește chiar și cu trei ordine de mărime (de la 1017 la , adică în absența unui gradient de concentrație de zinc pe probă.

Atomii de zinc pot fi localizați în arseniura de galiu fie la locurile de galiu, fie la interstiții, prin urmare, difuzia zincului poate avea loc de-a lungul golurilor de galiu și de-a lungul interstițiilor. Legea lui Fick pentru un astfel de mecanism de difuzie dublă poate fi exprimată prin ecuație

unde și sunt coeficienții de difuzie ai zincului peste interstiții și peste mecanismul de substituție a galiului.

Această ecuație poate fi simplificată prin introducerea coeficientului efectiv de difuzie:

Rezultatele difuziei izoconcentrate arată că, la concentrații mari de zinc, predomină difuzia de-a lungul interstițiilor, adică.

În consecință, difuzia izoconcentrației poate fi descrisă și prin ecuația (8.4). Coeficientul de difuzie a izoconcentrației poate fi calculat pe baza unei analize a concentrației atomilor de zinc interstițiali și a vacantelor de galiu. Dependența sa puternică de concentrația de zinc este prezentată în fig. 8.14.

Orez. 8.14, Dependența coeficientului de difuzie al zincului în arseniura de galiu de concentrația de zinc.

Cu toate acestea, în condiții tehnologice reale la temperaturi ridicate, concentrația de suprafață a zincului pe arseniura de galiu a ajuns să depășească ușor densitatea vaporilor de zinc din fiolă. În absența presiunii arsenicului în fiolă, distribuția zincului în probă a fost distorsionată ireproductiv și

Tranziția a fost neuniformă, mai ales la concentrații scăzute de zinc. Introducerea arsenului în fiolă a corectat substanțial situația. Dependența coeficientului de difuzie de concentrația de zinc a scăzut semnificativ, difuzia a avut loc mai regulat, iar tranziția s-a dovedit a fi lină.

Trebuie acordată atenție faptului că fenomenele anormale de difuzie a zincului apar la temperaturi peste temperatura de debut a descompunerii arseniurei de galiu.De aceea, în fiolă trebuie creată o presiune de arsenic, cel puțin egală cu presiunea de disociere a arseniura de galiu la o temperatură dată. În plus, deoarece zincul formează doi compuși care se topesc congruent cu arsenul, se poate aștepta formarea lor atât pe sursa de zinc, cât și pe suprafața arseniurii de galiu. Aceste procese, precum și disocierea arseniurii de galiu, pot duce la eliberarea de galiu lichid și formarea de soluții de galiu de zinc și arseniură de galiu, în urma cărora apar perturbări locale de suprafață, deformând și mai mult profilul difuziei și tranziția. Pentru a elimina aceste tulburări de suprafață și a aduce difuzia mai aproape de regimul de izoconcentrare, zincul este uneori difuzat printr-o peliculă depusă pe arseniura de galiu, sau dintr-o peliculă dopată cu zinc.

Condițiile pentru realizarea difuziei reproductibile a zincului în arseniura de galiu pot fi determinate de n? pe baza luării în considerare a diagramelor de echilibru de fază ale galiu-arsenic-zinc (Fig. 8.15).

Dacă doar zincul elementar este folosit ca difuzant, atunci arsenicul va fi transferat de la arseniura de galiu la sursa de zinc până când pe ambele suprafețe se formează faze de echilibru ale arseniurilor de zinc. Desigur, acest lucru va duce la eliberarea de galiu lichid, deteriorarea suprafeței plachetei și distorsiunea frontului de difuzie.

Dacă sursa este zinc și arsen sau arseniuri de zinc, atunci totul depinde de cantitatea de difuzant, compoziția și temperatura acestuia. Cu cantități mici de difuzant (mai multe fiole), nu se formează nicio fază condensată - tot zincul și arsenul sunt în faza de vapori. Tulburările de suprafață ale trecerii de la durata difuziei și temperatură se exprimă prin

Contactul a doi semiconductori de tipuri n și p se numește p-n-joncțiune sau n-p-joncțiune. Difuzia începe ca urmare a contactului dintre semiconductori. Unii dintre electroni merg în găuri, iar unii dintre găuri merg în partea laterală a electronilor.

Ca urmare, semiconductorii sunt încărcați: n este pozitiv, iar p este negativ. După ce câmpul electric care va apărea în zona de tranziție începe să împiedice mișcarea electronilor și a găurilor, difuzia se va opri.

Când conectați o joncțiune pn în direcția înainte, aceasta va trece curent prin ea însăși. Dacă conectați joncțiunea pn în direcția opusă, atunci practic nu va trece curentul.

Următorul grafic arată caracteristicile curent-tensiune ale conexiunii înainte și inversă a unei joncțiuni pn.

Fabricarea unei diode semiconductoare

Linia continuă arată caracteristica curent-tensiune a conexiunii directe a joncțiunii pn, iar linia punctată arată conexiunea inversă.
Din grafic se poate observa că joncțiunea pn este asimetrică în raport cu curentul, deoarece în direcția înainte rezistența joncțiunii este mult mai mică decât în ​​direcția inversă.

Proprietățile joncțiunii pn sunt utilizate pe scară largă pentru a redresa curentul electric. Pentru a face acest lucru, se realizează o diodă semiconductoare pe baza unei joncțiuni pn.

De obicei, germaniul, siliciul, seleniul și o serie de alte substanțe sunt folosite pentru a face diode semiconductoare. Să luăm în considerare mai detaliat procesul de creare a unei joncțiuni pn folosind germaniu cu semiconductor de tip n.

O astfel de tranziție nu poate fi obținută prin conectarea mecanică a doi semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate. Acest lucru nu este posibil deoarece distanța dintre semiconductori este prea mare.

Și avem nevoie ca grosimea joncțiunii pn să nu fie mai mare decât distanța interatomică. Pentru a evita acest lucru, indiul este topit pe una dintre suprafețele probei.

Pentru a crea o diodă semiconductoare, un semiconductor dopat de tip p care conține atomi de indiu este încălzit la o temperatură ridicată. Pe suprafața cristalului se depun perechi de impurități de tip n. În plus, datorită difuziei, ele sunt introduse în cristalul însuși.

Pe suprafața cristalului, care are conductivitate de tip p, se formează o regiune cu conductivitate de tip n. Figura următoare arată schematic cum arată.

Pentru a exclude efectul aerului și luminii asupra cristalului, acesta este plasat într-o carcasă metalică sigilată. Pe schemele de circuit, o diodă este desemnată cu următoarea pictogramă specială.

Redresoarele cu stare solidă au o fiabilitate foarte mare și o durată de viață lungă. Principalul lor dezavantaj este că pot funcționa doar într-un interval mic de temperatură: de la -70 la 125 de grade.

Diode semiconductoare

O diodă semiconductoare este un element al unui circuit electric care are două terminale și are conductivitate electrică unilaterală. Toate diodele semiconductoare pot fi împărțite în două grupe: redresoare și speciale. Diodele redresoare, după cum sugerează și numele, sunt proiectate pentru a redresa curentul alternativ. În funcție de frecvența și forma tensiunii alternative, acestea sunt împărțite în frecvență înaltă, frecvență joasă și impuls. Tipuri speciale de diode semiconductoare folosesc proprietăți diferite pn tranziții: fenomen de defalcare, capacitatea de barieră, prezența secțiunilor cu rezistență negativă etc.

Din punct de vedere structural, diodele redresoare sunt împărțite în plane și punctiforme, iar în funcție de tehnologia de fabricație, în aliaje, difuzie și epitaxiale. Diode plane datorită suprafeței mari pn-jonctiunile sunt folosite pentru a redresa curenti mari. Diodele punctuale au o zonă mică de joncțiune și, în consecință, sunt proiectate pentru a rectifica curenții mici. Pentru a crește tensiunea de rupere în avalanșă, se folosesc poli redresoare, formați dintr-o serie de diode conectate în serie.

Diodele redresoare de mare putere sunt numite diode de putere. Materialul pentru astfel de diode este de obicei siliciu sau arseniura de galiu. Germaniul practic nu este utilizat din cauza dependenței puternice de temperatură a curentului invers. Diodele din aliaj de siliciu sunt folosite pentru a redresa curentul alternativ de până la 5 kHz. Diodele de difuzie cu siliciu pot funcționa la frecvențe ridicate de până la 100 kHz. Diodele epitaxiale din siliciu cu substrat metalic (cu o barieră Schottky) pot fi utilizate la frecvențe de până la 500 kHz. Diodele cu arseniură de galiu sunt capabile să funcționeze în intervalul de frecvență de până la câțiva MHz.

Funcționarea diodelor se bazează pe utilizarea unei tranziții electron-gaură - un strat subțire de material între două zone de diferite tipuri de conductivitate electrică - nși p. Principala proprietate a acestei tranziții este conductivitatea electrică asimetrică, în care cristalul trece curentul într-o direcție și nu trece în cealaltă. Dispozitivul tranziției electron-gaură este prezentat în Fig. 1.1, a. O parte a acestuia este dopată cu o impuritate donor și are conductivitate electronică ( n-regiune); celălalt, dopat cu o impuritate acceptor, are conductivitate în găuri ( p-regiune). Concentrațiile de purtători în regiuni diferă brusc. În plus, ambele părți conțin o mică concentrație de purtători minoritari.

Fig.1.1. pn tranziție:

a - dispozitiv, b - taxe de spațiu

Electroni înăuntru n- zonele tind să pătrundă în p- regiune în care concentrația de electroni este mult mai mică. La fel, găuri p-zonele sunt mutate în n-regiune. Ca rezultat al mișcării în sens invers a sarcinilor opuse, apare așa-numitul curent de difuzie. Electronii și găurile, trecând prin interfață, lasă în urmă sarcini opuse, care împiedică trecerea în continuare a curentului de difuzie. Ca rezultat, echilibrul dinamic este stabilit la graniță și la închidere p- și n- zonele fără curent în circuit. Distribuția densității de sarcină spațială în tranziție este prezentată în Fig. 1.1, b. În acest caz, în interiorul cristalului de la interfață există un câmp electric propriu E oct. , a cărei direcție este prezentată în Fig. 1.1, a. Intensitatea sa este maximă la interfață, unde are loc o schimbare bruscă a semnului încărcăturii spațiale. Și apoi semiconductorul este neutru.

Înălțimea potențială a barierei la pn tranziția este determinată de diferența de potențial de contact n- și p-zone, care, la rândul lor, depinde de concentrația de impurități din ele:

, (1.1)

unde este potentialul termic, N nși pp sunt concentrațiile de electroni și găurile în n- și p-zone, n i este concentrația purtătorilor de sarcină în semiconductorul nedopat.

Diferența de potențial de contact pentru germaniu este de 0,6 ... 0,7 V, iar pentru siliciu - 0,9 ... 1,2 V. Înălțimea barierei de potențial poate fi modificată prin aplicarea unei tensiuni externe la pn tranziție. Dacă câmpul tensiunii externe coincide cu cel intern, atunci înălțimea barierei de potențial crește; când tensiunea aplicată este inversată, înălțimea barierei scade. Dacă tensiunea aplicată este egală cu diferența de potențial de contact, atunci bariera de potențial dispare complet.

Prin urmare, dacă o tensiune externă scade bariera de potențial, se numește directă, iar dacă o crește, se numește inversă.

Simbolul și caracteristica curent-tensiune (CVC) ale unei diode ideale sunt prezentate în Fig. 1.2.

Ieșirea la care trebuie aplicat un potențial pozitiv se numește anod, ieșirea cu potențial negativ se numește catod (Fig. 1.2, a). O diodă ideală în direcția conductivă are rezistență zero. În direcția neconductivă - o rezistență infinit de mare (Fig. 1.2, b).

Fig. 1.2 Simbolul (a) și CVC

caracteristica unei diode ideale (b)

în semiconductori R-tip, orificiile sunt suporturile principale. Conductivitatea electrică a găurii a fost creată prin introducerea de atomi ai unei impurități acceptoare. Valența lor este cu unul mai mică decât cea a atomilor semiconductori. În acest caz, atomii de impurități captează electronii semiconductori și creează găuri - purtători mobili de sarcină.

în semiconductori n-tip principalii purtători sunt electronii. Conductivitatea electrică electronică este creată prin introducerea de atomi de impurități donatoare. Valența lor este cu unul mai mult decât cea a atomilor semiconductori. Formând legături covalente cu atomii semiconductori, atomii de impurități nu folosesc 1 electron, care devine liber. Atomii înșiși devin ioni pozitivi imobili.

Dacă o sursă de tensiune este conectată la bornele externe ale diodei în direcția înainte, atunci această sursă de tensiune va crea în district câmp electric de tranziție îndreptat spre interior. Câmpul rezultat va scădea. Aceasta va începe procesul de difuzie. Un curent continuu va curge în circuitul diodei. Cu cât valoarea tensiunii externe este mai mare, cu atât valoarea câmpului intern este mai mică, cu atât stratul de blocare este mai îngust, cu atât valoarea curentului direct este mai mare. Odată cu creșterea tensiunii externe, curentul continuu crește exponențial (Fig. 1.3). Când se atinge o anumită valoare a tensiunii externe, lățimea stratului de barieră va scădea la zero. Curentul direct va fi limitat doar de rezistența de volum și va crește liniar pe măsură ce tensiunea crește.

Fig.1.3. IV caracteristica unei diode reale

În acest caz, căderea de tensiune pe diodă este o cădere de tensiune directă. Valoarea sa este mică și depinde de material:

germaniu GE: U pr= (0,3 - 0,4) V;

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

Dacă schimbați polaritatea tensiunii externe, atunci câmpul electric al acestei surse va coincide cu cel intern. Câmpul rezultat va crește, lățimea stratului de barieră va crește și, în mod ideal, niciun curent nu va curge în direcția opusă; dar din moment ce semiconductorii nu sunt ideali și pe lângă principalii purtători de telefonie mobilă există un număr mic de cei minori, ca urmare, apare un curent invers. Valoarea sa depinde de concentrația purtătorilor minoritari și este de obicei de la câțiva până la zeci de microamperi.

Concentrația purtătorilor minoritari este mai mică decât concentrația celor majori, deci curentul invers este mic. Mărimea acestui curent nu depinde de mărimea tensiunii inverse. Curentul invers de siliciu este cu câteva ordine de mărime mai mic decât cel al germaniului, dar diodele de siliciu au o cădere de tensiune directă mai mare. Concentrația purtătorilor minoritari depinde de temperatură și, pe măsură ce crește, curentul invers crește, deci se numește curent termic I o:

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

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

Există o formulă aproximativă

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

Unde T *- creșterea temperaturii, care corespunde unei dublari a curentului termic,

T*Ge=8...10 o C; T*Si=6°C.

Expresia analitică pentru VAC r-p tranziția arată astfel:

, (1.2)

Unde U este tensiunea externă aplicată.

Pentru o temperatură de 20 ° C φ t = 0,025V.

Odată cu creșterea temperaturii datorită creșterii curentului termic și scăderii barierei de potențial, scăderea rezistenței straturilor semiconductoare, are loc o deplasare a ramurilor directe a caracteristicii I-V în regiunea curenților înalți. . Rezistența de volum a semiconductorilor scade nși R. Ca rezultat, căderea de tensiune directă va fi mai mică. Pe măsură ce temperatura crește, din cauza scăderii diferenței dintre concentrațiile de purtători majori și minori, bariera potențială a stratului de barieră scade, ceea ce va duce și la o scădere a U pr, deoarece stratul de barieră va dispărea la o tensiune mai mică.

Același curent va corespunde unor tensiuni directe diferite (Fig. 1.4), formând diferența DU,

Unde e- coeficientul de temperatură al tensiunii.

Dacă curentul prin diodă este constant, atunci căderea de tensiune pe diodă va scădea. Odată cu creșterea temperaturii cu un grad, căderea de tensiune directă scade cu 2 mV.

Orez. 1.4. VAC r-p tranziția la fig. 1.5. CVC de germaniu și

diferite temperaturi ale diodelor de siliciu

Pe măsură ce temperatura crește, ramura inversă a caracteristicii curent-tensiune se deplasează în jos (Fig. 1.4). Intervalul de temperatură de funcționare pentru diodele cu germaniu este de 80 ° C, pentru diodele cu siliciu 150 ° C.

Caracteristicile IV ale diodelor cu germaniu și siliciu sunt prezentate în Fig. 1.5.

Rezistență diferențială r-p tranziție (Fig. 1.6):

(1.3)

Cu curent crescând r d- scade.

Fig. 1.6 Definirea diferenţialului

rezistenta diodei

Rezistenta DC r-p tranziție: .

Rezistența DC este caracterizată de coeficientul unghiului de înclinare al unei drepte trasate de la origine până la un punct dat. Această rezistență depinde și de mărimea curentului: cu creșterea I, rezistența scade . R Ge< R Si .

Caracteristica IV a unei diode semiconductoare este oarecum diferită de caracteristica IV a unei diode ideale. Deci, din cauza scurgerii de curent pe suprafața cristalului, curentul invers real va fi mai mare decât curentul termic. În consecință, rezistența inversă a unei diode reale este mai mică decât cea a uneia ideale. r-p tranziție.

Căderea de tensiune directă este mai mare decât ideală r-p tranziție. Acest lucru se datorează căderii de tensiune pe straturile semiconductoare. Rși P tip. Mai mult, în diode reale unul dintre straturi R sau P are o concentrație mai mare de purtători majori decât celălalt. Un strat cu o concentrație mare de purtători majoritari se numește emițător; are o rezistență neglijabilă. Un strat cu o concentrație mai mică de purtători majoritari se numește bază. Are destul de multă rezistență.

Creșterea căderii de tensiune directă apare din cauza căderii de tensiune pe rezistența de bază.

Pentru a calcula circuite electronice care conțin diode semiconductoare, devine necesară reprezentarea acestora sub formă de circuite echivalente. Circuitul echivalent al unei diode semiconductoare cu o aproximare liniară pe bucăți a CVC este prezentat în Fig. 1.7. Figura 1.8 prezintă circuite echivalente folosind caracteristicile I–V ale unei diode ideale și caracteristicile I–V ale unei diode ideale pn tranziție ( r d este rezistența diodei, r este rezistența de scurgere a diodei).

Fig.1.7. Aproximarea caracteristicii curent-tensiune a unei diode

segmente liniare

Fig.1.8. Înlocuirea diodelor utilizând caracteristicile I-V

diodă ideală (a) și ideal CVC pn tranziție (b)

Funcționarea unei diode într-un circuit cu sarcină. Luați în considerare cel mai simplu circuit cu o diodă și un rezistor și acțiunea unei tensiuni bipolare la intrarea sa (Fig. 1.9). Modelul distribuției tensiunii pe elementele circuitului este determinat de poziția liniilor de sarcină (Fig. 1.10) - pe graficul CVC al diodei sunt reprezentate două puncte de-a lungul axei tensiunii în ambele direcții, determinate de +Hmși – Hm tensiune de alimentare, care corespunde tensiunii pe diodă cu o sarcină scurtcircuitată R n, iar curenții se depun pe axa curentului în ambele sensuri U m / R nși - U m / R n, care corespunde unei diode scurtcircuitate. Aceste două puncte sunt conectate în perechi prin linii drepte, care se numesc sarcină. Intersecțiile liniei de încărcare R nîn primul şi al treilea cadran cu ramuri

Caracteristicile I–V ale diodei pentru fiecare fază a tensiunii de alimentare corespund

Orez. 1.9. Circuit cu diodă și Fig. 1.10. Diodă CVC cu sarcină

sarcina directa

curenții lor identici (ceea ce este necesar atunci când sunt conectați în serie) și determină poziția punctelor de funcționare.

semiundă pozitivă U>0, U=Um.

Această polaritate este directă pentru o diodă. Curentul și tensiunea vor satisface întotdeauna caracteristicile curent-tensiune:

,

în afară de:

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

la Am \u003d 0, U d \u003d U m;

la U d \u003d 0, am d \u003d U m / R H;

cu conexiune directă U m >> U pr(Fig. 1.10).

În aplicare practică U pr>0 (U pr- tensiune directă) când dioda este deschisă. Când dioda funcționează în direcția înainte, tensiunea pe ea este minimă - ( GE-0,4V; Si-0,7 V), și poate fi considerat aproximativ egal cu zero. Curentul va fi atunci maxim.

Fig.1.11. Semnale de tensiune și curent într-un circuit de diode cu sarcină

.

jumătate de undă negativă U<0, U= -U m .

Caracteristica diodei este aceeași, dar

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

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

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

Capacități r-p tranziție. Când este pornit r-p tranziție în direcția opusă, precum și la tensiuni directe mici în regiune r-p tranzitie exista un dublu strat electric: in R zone - negative, în P zone - pozitive.

Acumularea unei sarcini necompensate în acest strat duce la apariția unei capacități r-p tranziție, care se numește capacitatea de barieră. Caracterizează modificarea sarcinii acumulate cu o modificare a tensiunii externe conform Fig. 1.12. C b \u003d dQ / dU .

Orez. 1.12. Dependența capacității barierei

de la tensiune inversă.

Capacitatea barierei depinde de dimensiunile geometrice r-p tranziție. Odată cu creșterea U arr lăţime r-p tranziția crește, iar capacitatea scade.

Când dioda este pornită în direcția înainte, capacitatea barierei practic dispare, iar în stratul de bază al diodei se acumulează purtători minoritari transferați de la emițător. Această acumulare de sarcină creează, de asemenea, un efect de capacitate, care se numește capacitate de difuzie. C d de obicei depaseste C b.

Se determină capacitatea de difuzie C d \u003d dQ d / dU.

Aceste capacități afectează funcționarea diodelor la frecvențe înalte. Capacități r-p tranziția este inclusă în circuitul echivalent (Fig. 1.13).

Orez. 1.13. Circuite echivalente de diode ținând cont de capacități:

a – capacitatea de barieră; b - capacitatea de difuzie

Procese tranzitorii în diode. Când diodele funcționează cu semnale de înaltă frecvență (1-10 MHz), procesul de trecere de la o stare neconductivă la o stare conductivă și invers nu are loc instantaneu din cauza prezenței capacității în tranziție, din cauza acumulării. a sarcinilor din baza diodei.

Figura 1.14 prezintă diagramele de timp ale schimbărilor de curent prin diodă și sarcină cu impulsuri dreptunghiulare ale tensiunii de alimentare. Capacitatele din circuitul diodei distorsionează marginile de început și de urma ale impulsurilor, provocând apariția timpului de absorbție. tp.

Atunci când alegeți o diodă pentru un anumit circuit, trebuie luate în considerare proprietățile frecvenței și viteza acesteia.

Orez. 1.14. Procese tranzitorii la

dioda de comutare:

t f1- durata muchiei de atac a tranziției;

t f2- durata muchiei de fugă;

tp- timpul de dizolvare.

Dărâma r-p tranziție. Tensiunea inversă a diodei nu poate crește la o valoare arbitrar de mare. La o tensiune inversă, caracteristică fiecărui tip de diodă, există o creștere bruscă a curentului invers. Acest efect se numește întrerupere a tranziției. Există mai multe tipuri de defalcare (Fig. 1.15):

1 - defectarea avalanșei, când apare o creștere a curentului invers din cauza înmulțirii în avalanșă a purtătorilor neprincipali;

Orez. 1.15. CVC pentru diferite tipuri de avarii

Avarie în 2 tunel, când are loc depășirea barierei de potențial și a stratului de blocare din cauza efectului de tunel.

În timpul defecțiunilor de avalanșă și tunel, curentul invers crește la o tensiune inversă constantă.

Acestea sunt defecțiuni electrice. Sunt reversibile. După îndepărtare U arr dioda își recuperează proprietățile.

3- defalcare termică, apare atunci când cantitatea de căldură eliberată în r-p joncțiune, mai multă căldură este degajată de suprafața diodei către mediu. Cu toate acestea, cu creșterea temperaturii r-p tranziția, concentrația purtătorilor minoritari crește, ceea ce duce la o creștere și mai mare a curentului invers, care, la rândul său, duce la creșterea temperaturii etc. Deoarece pentru diodele fabricate pe bază de germaniu, am arr mai mult decât pentru diodele pe bază de siliciu, atunci pentru primele, probabilitatea de defectare termică este mai mare decât pentru cele din urmă. Prin urmare, temperatura maximă de funcționare pentru diodele cu siliciu este mai mare (150 o ... 200 o C) decât pentru cele cu germaniu (75 o ... 90 o C).

Cu această defalcare r-p tranziția este distrusă.

Întrebări de testare.

1. Ce este o diodă semiconductoare? Caracteristica curent-tensiune a unei diode ideale și reale?

2. Ce materiale se folosesc la fabricarea diodelor semiconductoare? Cum se creează regiuni ale unuia sau altui tip de conductivitate într-un substrat semiconductor?

3. Care este câmpul electric intrinsec într-un cristal la graniță p-n- tranziție? Cum se schimbă când se aplică o tensiune externă?

4. Ce explică efectul conducerii unidirecționale p-n- joncțiune într-un semiconductor?

5. Caracteristici curent-tensiune pn-tranziții pentru diode cu germaniu și siliciu atunci când temperatura exterioară se modifică?

6. Cum se determină rezistența diferențială a unei diode?

7. Cum sunt construite caracteristicile curent-tensiune ale unei diode cu o linie dreaptă de sarcină?

8. Explicați mecanismul de formare a barierei și capacităților de difuzie ale diodei? Cum afectează ele funcționarea diodei în circuitele de curent alternativ?

Cursul 2 Tipuri speciale