Silne závisí od koncentrácie nečistôt. Polovodiče, ktorých elektrofyzikálne vlastnosti závisia od nečistôt iných chemických prvkov, sa nazývajú polovodiče nečistôt. Existujú dva typy nečistôt, donor a akceptor.

Darca nazýva sa nečistota, ktorej atómy dávajú polovodiču voľné elektróny a v tomto prípade získaná elektrická vodivosť spojená s pohybom voľných elektrónov je elektronické. Polovodič s elektronickou vodivosťou sa nazýva elektronický polovodič a bežne sa označuje latinským písmenom n - prvým písmenom slova "negatívny".

Uvažujme o procese tvorby elektronickej vodivosti v polovodiči. Ako hlavný polovodičový materiál berieme kremík (najrozšírenejšie sú kremíkové polovodiče). Kremík (Si) má na vonkajšej obežnej dráhe atómu štyri elektróny, ktoré určujú jeho elektrofyzikálne vlastnosti (to znamená, že sa pohybom pod vplyvom napätia vytvárajú elektrický prúd). Keď sa atómy nečistôt arzénu (As) zavedú do kremíka, ktorý má päť elektrónov na vonkajšej obežnej dráhe, štyri elektróny interagujú so štyrmi elektrónmi kremíka, čím sa vytvorí kovalentná väzba, a piaty elektrón arzénu zostane voľný. Za týchto podmienok sa ľahko oddelí od atómu a dostane príležitosť pohybovať sa v látke.

akceptor Nečistota sa nazýva nečistota, ktorej atómy prijímajú elektróny z atómov hlavného polovodiča. Výsledná elektrická vodivosť, spojená s pohybom kladných nábojov – dier, sa nazýva diera. Polovodič s dierovou elektrickou vodivosťou sa nazýva dierový polovodič a bežne sa označuje latinským písmenom p - prvým písmenom slova "pozitívny".

Uvažujme o procese tvorby dierovej vodivosti. keď sa atómy nečistôt india (In) zavedú do kremíka, ktorý má na vonkajšej obežnej dráhe tri elektróny, spoja sa s tromi elektrónmi kremíka, ale táto väzba sa ukáže ako neúplná: chýba ešte jeden elektrón na spojenie so štvrtým elektrónom kremíka. kremík. Atóm nečistoty pripojí chýbajúci elektrón z jedného z blízkych atómov hlavného polovodiča, potom sa naviaže na všetky štyri susedné atómy. V dôsledku pridania elektrónu získava nadbytočný záporný náboj, to znamená, že sa mení na záporný ión. Zároveň sa ukáže, že polovodičový atóm, z ktorého odišiel štvrtý elektrón do atómu nečistoty, je spojený so susednými atómami iba tromi elektrónmi. teda vzniká prebytok kladného náboja a objavuje sa nevyplnená väzba, tzn diera.

Jednou z dôležitých vlastností polovodiča je, že v prítomnosti otvorov ním môže prechádzať prúd, aj keď v ňom nie sú žiadne voľné elektróny. Je to spôsobené schopnosťou dier pohybovať sa z jedného polovodičového atómu na druhý.

Pohybujúce sa "diery" v polovodiči

Zavedením donorovej nečistoty do časti polovodiča a akceptorovej nečistoty do inej časti je možné získať oblasti s elektrónovou a dierovou vodivosťou. Na hranici medzi oblasťou elektrónovej a dierovej vodivosti sa vytvára takzvaný prechod elektrón-diera.

P-N križovatka

Zvážte procesy, ktoré sa vyskytujú pri prechode prúdu prechod elektrón-diera. Ľavá vrstva označená n je elektricky vodivá. Prúd v ňom je spojený s pohybom voľných elektrónov, ktoré sú zvyčajne označené kruhmi so znamienkom mínus. Pravá vrstva, označená písmenom p, má dierovú vodivosť. Prúd v tejto vrstve je spojený s pohybom otvorov, ktoré sú na obrázku označené krúžkami so „plusom“.

Pohyb elektrónov a dier v režime priameho vedenia

Pohyb elektrónov a dier v režime spätného vedenia.

Pri kontakte polovodičov s rôznymi druhmi vodivosti vznikajú elektróny v dôsledku difúzia sa začnú presúvať do p-oblasti a diery - do n-oblasti, v dôsledku čoho je hraničná vrstva n-oblasti nabitá kladne a hraničná vrstva p-oblasti záporne nabitá. Medzi oblasťami vzniká elektrické pole, ktoré je akoby bariérou pre hlavné prúdové nosiče, vďaka čomu sa v p-n prechode vytvára oblasť so zníženou koncentráciou náboja. Elektrické pole v p-n prechode sa nazýva potenciálna bariéra a p-n prechod sa nazýva blokujúca vrstva. Ak je smer vonkajšieho elektrického poľa opačný ako smer poľa p-n prechodu ("+" v oblasti p, "-" v oblasti n), potom potenciálna bariéra klesá, koncentrácia nábojov v p-n prechode sa zväčšuje šírka a tým aj prechodový odpor. Pri zmene polarity zdroja sa vonkajšie elektrické pole zhoduje so smerom poľa p-n prechodu, zväčšuje sa šírka a odpor prechodu. Preto má p-n prechod vlastnosti ventilu.

polovodičová dióda

dióda nazývané elektricky konvertujúce polovodičové zariadenie s jedným alebo viacerými p-n prechodmi a dvoma vodičmi. V závislosti od hlavného účelu a javu použitého v p-n prechode existuje niekoľko hlavných funkčných typov polovodičových diód: usmerňovacie, vysokofrekvenčné, impulzné, tunelové, zenerove diódy, varikapy.

Základné charakteristiky polovodičových diód je charakteristika prúdového napätia (VAC). Pre každý typ polovodičovej diódy má I–V charakteristika inú formu, ale všetky sú založené na I–V charakteristike prechodovej usmerňovacej diódy, ktorá má tvar:

Prúdovo-napäťová charakteristika (CVC) diódy: 1 - jednosmerná prúdovo-napäťová charakteristika; 2 - charakteristika spätného prúdu a napätia; 3 - oblasť poruchy; 4 - priamočiara aproximácia jednosmernej charakteristiky napätia; Upor je prahové napätie; rdyn je dynamický odpor; Uprob - prierazné napätie

Mierka pozdĺž osi y pre záporné hodnoty prúdov sa volí mnohonásobne väčšia ako pre kladné hodnoty.

Prúdovo-napäťové charakteristiky diód prechádzajú nulou, ale dostatočne znateľný prúd sa objaví iba vtedy prahové napätie(U potom), čo je pre germániové diódy 0,1 - 0,2 V a pre kremíkové diódy 0,5 - 0,6 V. V oblasti záporných hodnôt napätia na dióde, pri už relatívne nízkych napätiach (U arr. ) vyskytuje spätný prúd(hovorím). Tento prúd vytvárajú menšinové nosiče: elektróny p-oblasti a diery n-oblasti, ktorých prechod z jednej oblasti do druhej uľahčuje potenciálna bariéra v blízkosti rozhrania. So zvýšením spätného napätia nedochádza k zvýšeniu prúdu, pretože počet menšinových nosičov, ktoré sa objavia na prechodovej hranici za jednotku času, nezávisí od napätia aplikovaného zvonku, ak nie je príliš veľké. Spätný prúd pre kremíkové diódy je o niekoľko rádov menší ako pre germániové. Ďalšie zvýšenie spätného napätia na prierazné napätie(U vzorky) vedie k tomu, že elektróny z valenčného pásma prechádzajú do vodivého pásma, tam je zenerov efekt. V tomto prípade sa spätný prúd prudko zvyšuje, čo spôsobuje zahrievanie diódy a ďalšie zvýšenie prúdu vedie k tepelnému rozpadu a zničeniu p-n prechodu.

Označenie a definícia hlavných elektrických parametrov diód

Označenie polovodičovej diódy

Ako už bolo spomenuté vyššie, dióda vedie prúd v jednom smere (t.j. v ideálnom prípade je to len vodič s nízkym odporom), v druhom smere nie (t.j. zmení sa na vodič s veľmi vysokým odporom), jedným slovom , má jednostranné vedenie. V súlade s tým má len dva závery. Tie, ako je už od čias lampovej techniky zvykom, sú tzv anóda(pozitívny záver) a katóda(negatívne).

Všetky polovodičové diódy možno rozdeliť do dvoch skupín: usmerňovacie a špeciálne. Usmerňovacie diódy, ako už názov napovedá, sú určené na usmerňovanie striedavého prúdu. Podľa frekvencie a tvaru striedavého napätia sa delia na vysokofrekvenčné, nízkofrekvenčné a impulzné. Špeciálne typy polovodičových diód využívajú rôzne vlastnosti p-n prechodov; jav prierazu, kapacita bariéry, prítomnosť oblastí s negatívnym odporom atď.

Usmerňovacie diódy

Štrukturálne sa usmerňovacie diódy delia na plošné a bodové a podľa technológie výroby na zliatinové, difúzne a epitaxné. Planárne diódy sa kvôli veľkej ploche p-n prechodu používajú na usmernenie vysoké prúdy. Bodové diódy majú malú spojovaciu plochu, a preto sú určené na usmernenie malé prúdy. Na zvýšenie lavínového prierazného napätia sa používajú usmerňovacie póly pozostávajúce zo série diód zapojených do série.

Vysokovýkonné usmerňovacie diódy sa nazývajú moc. Materiálom pre takéto diódy je zvyčajne kremík alebo arzenid gália. Diódy zo zliatiny kremíka sa používajú na usmernenie striedavého prúdu s frekvenciou do 5 kHz. Kremíkové difúzne diódy môžu pracovať pri vyšších frekvenciách, až do 100 kHz. Silikónové epitaxné diódy s kovovým substrátom (so Schottkyho bariérou) možno použiť pri frekvenciách do 500 kHz. Gálium arzenidové diódy sú schopné pracovať vo frekvenčnom rozsahu až niekoľko MHz.

Výkonové diódy sa zvyčajne vyznačujú súborom statických a dynamických parametrov. Komu statické parametre diódy zahŕňajú:

• pokles napätia U CR na dióde pri určitej hodnote jednosmerného prúdu;
• spätný prúd I arr pri určitej hodnote spätného napätia;
• priemerný priamy prúd I pr.cf. ;
• impulzívny spätné napätie U arr ;

Komu dynamické parametre dióda sú jej časové a frekvenčné charakteristiky. Tieto možnosti zahŕňajú:

• čas obnovenia t spätné napätie;
• čas vzostupu jednosmerný prúd I von. ;
• limitná frekvencia bez zníženia režimov diódy f max .

Statické parametre je možné nastaviť podľa prúdovo-napäťovej charakteristiky diódy.

Doba spätného zotavenia diódy tvos je hlavným parametrom usmerňovacích diód, ktorý charakterizuje ich zotrvačné vlastnosti. Určuje sa prepnutím diódy z daného priepustného prúdu I CR na dané spätné napätie U arr. Počas spínania nadobúda napätie na dióde opačnú hodnotu. Vplyvom zotrvačnosti difúzneho procesu sa prúd v dióde nezastaví okamžite, ale časom t nar. V podstate dochádza k resorpcii nábojov na hranici p-n prechodu (teda k vybitiu ekvivalentnej kapacity). Z toho vyplýva, že výkonové straty v dióde sa prudko zvyšujú, keď je zapnutá, najmä keď je vypnutá. teda straty v dióde sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou usmerneného napätia.

Pri zmene teploty diódy sa menia jej parametre. Priepustné napätie na dióde a jej spätný prúd najviac závisia od teploty. Približne môžeme predpokladať, že TKN (napäťový teplotný koeficient) Upr \u003d -2 mV / K a spätný prúd diódy má kladný koeficient. Takže so zvýšením teploty o každých 10 ° C sa spätný prúd germánových diód zvyšuje 2-krát a kremíka - 2,5-krát.

Diódy so Schottkyho bariérou

Na usmernenie malých napätí sa široko používajú vysoké frekvencie schottkyho bariérové ​​diódy. V týchto diódach sa namiesto p-n prechodu používa kovový povrchový kontakt s. V mieste dotyku sa objavia polovodičové vrstvy ochudobnené o nosiče náboja, ktoré sa nazývajú uzatváracie vrstvy. Diódy so Schottkyho bariérou sa líšia od diód s p-n prechodom nasledujúcimi spôsobmi:

• viac nízky rovný pokles napätia;
• mať viac nízky spätný chod Napätie;
• viac vysoký prúd netesnosti;
• takmer bez poplatku spätné zotavenie.

Dve hlavné charakteristiky robia tieto diódy nepostrádateľnými: nízky pokles napätia vpred a rýchly čas obnovy spätného napätia. Okrem toho absencia menších médií vyžadujúcich čas na obnovenie znamená fyzické žiadne straty na spínanie samotnej diódy.

Maximálne napätie moderných Schottkyho diód je asi 1200 V. Pri tomto napätí je priepustné napätie Schottkyho diódy menšie ako priepustné napätie diód s p-n prechodom o 0,2 ... 0,3 V.

Výhody Schottkyho diódy sa prejavia najmä pri usmerňovaní nízkych napätí. Napríklad 45-voltová Schottkyho dióda má dopredné napätie 0,4 ... 0,6 V a pri rovnakom prúde má dióda p-n-prechod pokles napätia 0,5 ... 1,0 V. Keď spätné napätie klesne na 15 V, napätie v priepustnom smere klesá na 0,3 ... 0,4 V. V priemere použitie Schottkyho diód v usmerňovači umožňuje znížiť straty asi o 10 ... 15%. Maximálna pracovná frekvencia Schottkyho diód presahuje 200 kHz.

Teória je dobrá, ale bez praktickej aplikácie sú to len slová.

V súčasnosti sa na výrobu spojov v arzenide gália používajú tri hlavné skupiny metód: difúzia, epitaxia v plynnej fáze a epitaxia v kvapalnej fáze. Metóda tavenia, ktorá sa predtým používala v polovodičovej technológii, sa už v technológii PCD nepoužíva, pretože nevytvára vyrezávaný a plochý prechod elektrón-diera, a preto nie je vhodná na výrobu laserových diód. Preto sú teraz hlavnými metódami výroby PCG diód difúzia a epitaxia.

8.3.1. Difúzna metóda

Teória difúzie je založená na predpoklade, že atómy nečistôt počas difúzie navzájom neinteragujú a rýchlosť difúzie nezávisí od ich koncentrácie. Na základe tohto predpokladu sú odvodené základné rovnice difúzie – Fickove zákony. Prvý Fickov zákon definuje difúzny tok ako veličinu úmernú koncentračnému gradientu (za izotermických podmienok s jednorozmernou difúziou)

kde je koncentrácia difúznych atómov; x - súradnica vzdialenosti; difúzny koeficient.

Druhý Fickov zákon určuje rýchlosť difúzie

Na základe týchto zákonov je možné nájsť rozdelenie koncentrácie nečistôt v semilimitovanej vzorke. V prípade, keď je počiatočná koncentrácia v objeme kryštálu blízka nule, zatiaľ čo povrchová koncentrácia je a zostáva konštantná, koncentrácia nečistôt po čase x v hĺbke x je

Ak dôjde k difúzii z tenkej vrstvy s hrúbkou koncentrácie nečistôt na jednotku

povrchu, potom je rozdelenie nečistôt vyjadrené rovnicou

Stanovenie koncentračných profilov distribúcie nečistôt vo vzorke sa vykonáva buď metódou rádioaktívnych indikátorov, alebo sondovou metódou merania „šírenia odporu“ pozdĺž šikmého rezu vzorky.

Teplotná závislosť difúzneho koeficientu má tvar

Táto závislosť však nie je vždy zachovaná v binárnych polovodičoch v dôsledku odchýlok od Fickovho zákona, pretože nečistota interaguje s jednou zo zložiek zlúčeniny alebo s vakanciami vytvorenými v dôsledku odparovania prchavej zložky počas disociácie zlúčeniny. Niekedy v dôsledku interakcie nečistoty so zložkami zlúčeniny vznikajú nové zlúčeniny, ktoré sú stabilnejšie ako pôvodný binárny polovodič. V zlúčeninách difúzneho typu dochádza k difúzii pohybom atómov pozdĺž miest podmriežky prvkov skupín III a V. Aktivačná energia difúzie v tomto prípade závisí od typu podmriežky, cez uzly ktorej k difúzii dochádza. Tento mechanizmus však nie je jediný; možná je napríklad difúzia nečistoty pozdĺž medzier. V recenziách sa uvažuje o difúzii rôznych nečistôt do binárnych polovodičov. Údaje o difúzii nečistôt v arzenide gália sú uvedené v tabuľke. 8.3.

Výroba spojov difúziou sa môže uskutočniť difúziou oboch donorov do arzenidu gália typu - a akceptorov do materiálu typu -. Pretože difúzia donorov je veľmi pomalá, zvyčajne sa uskutočňuje difúzia akceptorov. Najbežnejšie dopanty používané na výrobu injekcie sú akceptor - zinok a donor - telúr. Priemysel vyrába monokryštály arzenidu gália, určeného na výrobu PKG, dopovaného telúrom do koncentrácií

(kliknutím zobrazíte sken)

koncentrácie, ako je uvedené vyššie, a sú optimálne. Prechod elektrón-diera v doskách vyrezaných z týchto monokryštálov sa vytvára difúziou zinku, ktorá umožňuje pri nie príliš vysokých teplotách rýchlo vytvoriť prechod v akejkoľvek požadovanej hĺbke.

Doštičky arzenidu gália dodávané na difúziu musia byť špeciálne pripravené. Najprv sa v kryštáli röntgenovou metódou odhalí rovina s indexom (100). Potom sa kryštál rozreže na platne rovnobežné s touto kryštalografickou rovinou. Výber roviny je určený nasledujúcimi úvahami. Kryštály zlúčenín sa ľahko štiepia pozdĺž roviny (110). V kubickej štruktúre sfaleritu, ktorá je charakteristická pre tieto zlúčeniny, sú tri (110) roviny kolmé na rovinu (111) a dve kolmé (100). Ak sa zvolí rovina (111), môžu sa vyrobiť trojuholníkové diódy PKG.

Diódy s typickými Fabryho-Perotovými rezonátormi sa dajú ľahko vyrobiť z dosiek rezaných rovnobežne s rovinou (100) jednoduchým dvojitým štiepením pozdĺž (110). Tieto rezonátorové roviny musia byť striktne kolmé na budúci prechod, pretože hrúbka aktívnej vrstvy diódy je iba 1-2 mikróny. V dôsledku toho môžu nevýznamné odchýlky roviny rezonátora viesť k emisii žiarenia z aktívnej oblasti. Aby sa splnila táto požiadavka, jedna strana platne sa pred difúziou zbrúsi 5 μm práškom kolmo na štiepané roviny. Brúsený povrch platne je ručne leštený na skle leštiacim práškom (zrnitosť najskôr 1 µm a potom 0,3 µm). Niekedy sa používa aj chemické leštenie.

Proces difúzie zinku do leštenej platničky arzenidu gália sa uskutočňuje buď v uzavretom objeme (v zatavenej ampulke) alebo v prietokovom systéme. Častejšie sa však používa uzavretý systém. Na tento účel sa ampulka predbežne odčerpá na zvyškový tlak asi mm Hg. čl. Ako zdroj zinku sa berie buď elementárny zinok alebo jeho zlúčeniny, ktoré sú zmesou tuhých fáz, pomer

ktoré sa volia v závislosti od teplotných podmienok difúzie. Ak sa ako zdroj nečistôt použije elementárny zinok, potom sa elementárny arzén tiež umiestni do ampulky v pomere alebo Ako bude ukázané nižšie, tlak arzénu v ampulke má v tomto procese veľký význam.

Existujú tri varianty difúznych procesov používaných v technológii na vytváranie spojov.

1. Jednostupňová difúzia zinku v atmosfére arzénu v platni (100) alebo (111) prebieha pri teplote zinku a arzén sa naplní do ampulky v pomere ich celkovej koncentrácie v plynnej fáze by mala byť Po ukončení procesu, ampulka sa rýchlo ochladí vodou. Trvanie procesu sa volí v závislosti od požadovanej hĺbky prechodu.

V dôsledku trojhodinovej difúzie za týchto podmienok sa prechod vytvorí v hĺbke asi 20 μm.

2. Difúzia zinku s následným žíhaním v atmosfére arzénu. Proces difúzie je podobný ako vyššie popísané, ale na konci difúzneho procesu sa doštička vloží do ďalšej ampulky, kde sa v určitom množstve umiestni aj arzén.Ampulka so záťažou sa odčerpá na mm Hg. čl. a udržiavané v peci pri teplote 900 °C na žíhanie prispieva k rozšíreniu kompenzovanej oblasti, vyrovnaniu aktívnej prechodovej vrstvy a vytvoreniu hladkého, neostrého prechodu. Optimálne podmienky sú nasledovné: stupeň I (difúzia) - teplota pomer koncentrácie zinku trvanie stupeň I stupeň II (žíhanie) - teplota 900 alebo - trvanie koncentrácie arzénu stupeň II Hĺbka difúzie za týchto podmienok je asi 8 mikrónov.

3. Trojstupňová difúzia. K vyššie opísanému dvojstupňovému difúznemu procesu sa pridáva tretí stupeň - plytká difúzia zinku na vytvorenie vrstvy

Na konci difúzneho procesu a ochladzovania ampulky sa doštička arzenidu gália odstráni a jej okraj sa odreže, aby sa identifikoval prechod, určila sa hĺbka jeho výskytu a vizuálne sa sledovali jeho charakteristiky: rovnomernosť, šírka atď. do

aby bol prechod jasne viditeľný, čip sa vyleptá v roztoku alebo sa kvapka roztoku nanesie na štiepaný povrch a drží sa 15–30 s, potom sa platňa opláchne destilovanou vodou. Na leptanom povrchu sú viditeľné dve čiary: spodná čiara definuje hranicu prechodu a horná je miestom, kde začína degenerácia materiálu typu β.

Mechanizmus difúzie zinku do arzenidu gália. Distribúcia koncentrácie zinku v arzenide gália v dôsledku difúzie je anomálna. Pre difúziu zinku pri nižších teplotách ju možno opísať pomocou Gaussovej chybovej funkcie, t.j. rovníc (8.4) a (8.5); v tomto prípade je možné vypočítať hodnoty difúznych koeficientov s prihliadnutím na parametre uvedené v tabuľke. 8.3. Pre difúzne teploty nad 800 °C sa distribúcia zinku v arzenide gália neriadi týmto klasickým vzorom. Typické príklady anomálnej distribúcie zinku sú znázornené na obr.

8.13 pre difúziu pri teplote počas

Anomálne javy pri difúzii zinku do arzenidu gália sú predmetom mnohých štúdií. Boli zaznamenané nasledujúce skutočnosti.

Ryža. 8.13. Profily distribúcie koncentrácie zinku v platni arzeidu gália pre rôzne povrchové koncentrácie pri difúznej teplote a trvaní približne

Pri vyšších difúznych teplotách difúzny koeficient zinku silne závisí od koncentrácie arzénu a rozpustnosť zinku v arzenide gálium sa zvyšuje dokonca o tri rády (od 1017 do , t. j. pri absencii gradientu koncentrácie zinku na vzorka.

Atómy zinku sa môžu nachádzať v arzenide gália buď v miestach gália alebo v medzerách, a preto môže difúzia zinku prebiehať pozdĺž vakancií gália a pozdĺž medzier. Fickov zákon pre takýto mechanizmus dvojitej difúzie možno vyjadriť rovnicou

kde a sú difúzne koeficienty zinku cez medzery a cez mechanizmus substitúcie gália.

Táto rovnica sa dá zjednodušiť zavedením efektívneho difúzneho koeficientu:

Výsledky izokoncentračnej difúzie ukazujú, že pri vysokých koncentráciách zinku prevažuje difúzia pozdĺž medzier, t.j.

V dôsledku toho možno izokoncentračnú difúziu opísať aj rovnicou (8.4). Izokoncentračný difúzny koeficient možno vypočítať na základe analýzy koncentrácie intersticiálnych atómov zinku a voľných miest gália. Jeho silná závislosť od koncentrácie zinku je znázornená na obr. 8.14.

Ryža. 8.14, Závislosť difúzneho koeficientu zinku v arzenide gália od koncentrácie zinku.

V reálnych technologických podmienkach pri vysokých teplotách však povrchová koncentrácia zinku na arzenide gália mierne prevyšovala hustotu pár zinku v ampulke. Pri absencii tlaku arzénu v ampulke bola distribúcia zinku vo vzorke nereprodukovateľne skreslená a

Prechod bol nerovnomerný, najmä pri nízkych koncentráciách zinku. Zavedenie arzénu do ampulky podstatne napravilo situáciu. Závislosť difúzneho koeficientu od koncentrácie zinku sa výrazne znížila, difúzia prebiehala pravidelnejšie a prechod sa ukázal ako plynulý.

Pozor si treba dať na to, že pri teplotách nad teplotou začiatku rozkladu arzenidu gália dochádza k anomálnym javom pri difúzii zinku, preto musí byť v ampulke vytvorený tlak arzénu, ktorý sa rovná minimálne disociačnému tlaku arzenidu gália. arzenid gália pri danej teplote. Navyše, keďže zinok tvorí dve zhodne sa topiace zlúčeniny s arzénom, možno očakávať ich tvorbu ako na zdroji zinku, tak aj na povrchu arzenidu gália. Tieto procesy, ako aj disociácia arzenidu gália, môžu viesť k uvoľneniu tekutého gália a tvorbe gálových roztokov zinku a arzenidu gália, v dôsledku čoho vznikajú lokálne povrchové poruchy, ktoré ďalej skresľujú difúzny profil a prechod. Na odstránenie týchto povrchových porúch a priblíženie difúzie k izokoncentračnému režimu sa zinok niekedy difunduje cez film nanesený na arzenide gália alebo z filmu dopovaného zinkom.

Podmienky na dosiahnutie reprodukovateľnej difúzie zinku do arzenidu gália možno určiť pomocou n? na základe uvažovania fázových rovnovážnych diagramov gálium-arzén-zinok (obr. 8.15).

Ak sa ako difuzant použije iba elementárny zinok, potom sa arzén bude prenášať z arzenidu gália do zdroja zinku, kým sa na oboch povrchoch nevytvoria rovnovážne fázy arzenidov zinku. Prirodzene to povedie k uvoľneniu tekutého gália, poškodeniu povrchu plátku a deformácii čela difúzie.

Ak je zdrojom zinok a arzén alebo arzenidy zinočnaté, potom všetko závisí od množstva difuzantu, jeho zloženia a teploty. Pri malých množstvách difuzantu (niekoľko ampuliek) nevzniká žiadna kondenzovaná fáza – všetok zinok a arzén sú v parnej fáze. Povrchové poruchy prechodu z doby trvania difúzie a teploty sú vyjadrené pomocou

Kontakt dvoch polovodičov typu n a p sa nazýva p-n-prechod alebo n-p-prechod. Difúzia začína v dôsledku kontaktu medzi polovodičmi. Niektoré z elektrónov idú do dier a niektoré z dier idú na stranu elektrónov.

Výsledkom je, že polovodiče sú nabité: n je kladné a p je záporné. Keď elektrické pole, ktoré vznikne v prechodovej zóne, začne brániť pohybu elektrónov a dier, difúzia sa zastaví.

Pri pripájaní pn prechodu v doprednom smere bude prechádzať prúdom cez seba. Ak pripojíte pn-križovatku v opačnom smere, potom prakticky neprejde prúdom.

Nasledujúci graf ukazuje charakteristiku prúdového napätia dopredného a spätného spojenia pn prechodu.

Výroba polovodičovej diódy

Plná čiara znázorňuje prúdovo-napäťovú charakteristiku priameho zapojenia pn-prechodu a bodkovaná čiara znázorňuje opačné zapojenie.
Z grafu je zrejmé, že pn-prechod je asymetrický vzhľadom na prúd, pretože v smere dopredu je odpor prechodu oveľa menší ako v opačnom smere.

Vlastnosti pn prechodu sú široko používané na usmernenie elektrického prúdu. Na tento účel sa vyrába polovodičová dióda na báze pn prechodu.

Typicky sa na výrobu polovodičových diód používa germánium, kremík, selén a množstvo ďalších látok. Pozrime sa podrobnejšie na proces vytvárania pn prechodu pomocou germánia s polovodičom typu n.

Takýto prechod nie je možné dosiahnuť mechanickým spojením dvoch polovodičov s rôznymi typmi vodivosti. To nie je možné, pretože medzera medzi polovodičmi je príliš veľká.

A potrebujeme, aby hrúbka pn-prechodu nebola väčšia ako medziatómové vzdialenosti. Aby sa tomu zabránilo, indium sa roztaví do jedného z povrchov vzorky.

Na vytvorenie polovodičovej diódy sa polovodič dopovaný typom p obsahujúci atómy india zahreje na vysokú teplotu. Na povrchu kryštálu sa ukladajú páry nečistôt typu n. Ďalej sa v dôsledku difúzie zavádzajú do samotného kryštálu.

Na povrchu kryštálu, ktorý má vodivosť typu p, sa vytvorí oblasť s vodivosťou typu n. Nasledujúci obrázok schematicky ukazuje, ako to vyzerá.

Aby sa vylúčil vplyv vzduchu a svetla na krištáľ, je umiestnený v zapečatenom kovovom obale. Na schémach zapojenia je dióda označená nasledujúcou špeciálnou ikonou.

Polovodičové usmerňovače majú veľmi vysokú spoľahlivosť a dlhú životnosť. Ich hlavnou nevýhodou je, že môžu pracovať len v malom teplotnom rozsahu: od -70 do 125 stupňov.

Polovodičové diódy

Polovodičová dióda je prvok elektrického obvodu, ktorý má dva vývody a má jednostrannú elektrickú vodivosť. Všetky polovodičové diódy možno rozdeliť do dvoch skupín: usmerňovacie a špeciálne. Usmerňovacie diódy, ako už názov napovedá, sú určené na usmernenie striedavého prúdu. Podľa frekvencie a tvaru striedavého napätia sa delia na vysokofrekvenčné, nízkofrekvenčné a impulzné. Špeciálne typy polovodičových diód využívajú rôzne vlastnosti pn prechody: jav rozpadu, kapacita bariéry, prítomnosť sekcií s negatívnym odporom atď.

Štrukturálne sa usmerňovacie diódy delia na plošné a bodové a podľa technológie výroby na zliatinové, difúzne a epitaxné. Planárne diódy kvôli veľkej ploche pn-prechody sa používajú na usmernenie vysokých prúdov. Bodové diódy majú malú oblasť spojenia, a preto sú navrhnuté tak, aby usmerňovali malé prúdy. Na zvýšenie lavínového prierazného napätia sa používajú usmerňovacie póly pozostávajúce zo série sériovo zapojených diód.

Vysokovýkonné usmerňovacie diódy sa nazývajú výkonové diódy. Materiálom pre takéto diódy je zvyčajne kremík alebo arzenid gália. Germánium sa prakticky nepoužíva kvôli silnej teplotnej závislosti spätného prúdu. Diódy zo zliatiny kremíka sa používajú na usmernenie striedavého prúdu do 5 kHz. Kremíkové difúzne diódy môžu pracovať pri zvýšených frekvenciách až do 100 kHz. Silikónové epitaxné diódy s kovovým substrátom (so Schottkyho bariérou) možno použiť pri frekvenciách do 500 kHz. Gálium arzenidové diódy sú schopné pracovať vo frekvenčnom rozsahu až niekoľko MHz.

Činnosť diód je založená na použití prechodu elektrón-diera - tenká vrstva materiálu medzi dvoma oblasťami rôznych typov elektrickej vodivosti - n a p. Hlavnou vlastnosťou tohto prechodu je asymetrická elektrická vodivosť, pri ktorej kryštál prechádza prúdom v jednom smere a neprechádza v druhom. Zariadenie prechodu elektrón-diera je znázornené na obr. 1.1, a. Jedna jeho časť je dopovaná donorovou nečistotou a má elektronickú vodivosť ( n-región); druhý, dopovaný akceptorovou nečistotou, má dierovú vodivosť ( p-región). Koncentrácie nosičov v regiónoch sa výrazne líšia. Obe časti navyše obsahujú malú koncentráciu menšinových nosičov.

Obr.1.1. pn prechod:

a - prístroj, b - vesmírne poplatky

Elektróny v n- oblasti majú tendenciu prenikať do p- oblasť, kde je koncentrácia elektrónov oveľa nižšia. Rovnako aj diery p- oblasti sa presúvajú n-región. V dôsledku prichádzajúceho pohybu opačných nábojov vzniká takzvaný difúzny prúd. Elektróny a diery, ktoré prešli rozhraním, zanechávajú opačné náboje, ktoré bránia ďalšiemu prechodu difúzneho prúdu. Výsledkom je, že na hranici a pri uzatváraní sa vytvorí dynamická rovnováha p- a n- oblasti, v ktorých obvodom nepreteká prúd. Rozloženie hustoty priestorového náboja v prechode je znázornené na obr. 1.1, b. V tomto prípade je vo vnútri kryštálu na rozhraní vlastné elektrické pole E oct. 1.1, ktorého smer je znázornený na obr. Jeho intenzita je maximálna na rozhraní, kde dochádza k prudkej zmene znamienka priestorového náboja. A potom je polovodič neutrálny.

Potenciálna výška bariéry pri pn prechod je určený rozdielom kontaktných potenciálov n- a p- oblasti, ktoré zase závisia od koncentrácie nečistôt v nich:

, (1.1)

kde je tepelný potenciál, N n a Pp sú koncentrácie elektrónov a dier v n- a p- oblasti, n i je koncentrácia nosičov náboja v nedopovanom polovodiči.

Rozdiel kontaktného potenciálu pre germánium je 0,6 ... 0,7 V a pre kremík - 0,9 ... 1,2 V. Výšku potenciálnej bariéry je možné zmeniť privedením externého napätia na pn prechod. Ak sa pole vonkajšieho napätia zhoduje s vnútorným, potom sa výška potenciálnej bariéry zvyšuje; keď sa privedené napätie obráti, výška bariéry sa zníži. Ak sa aplikované napätie rovná rozdielu kontaktného potenciálu, potom potenciálna bariéra úplne zmizne.

Preto, ak externé napätie znižuje potenciálnu bariéru, nazýva sa to priame, a ak ju zvyšuje, nazýva sa to reverzné.

Symbol a charakteristika prúdového napätia (CVC) ideálnej diódy sú znázornené na obr. 1.2.

Výstup, na ktorý musí byť privedený kladný potenciál, sa nazýva anóda, výstup so záporným potenciálom sa nazýva katóda (obr. 1.2, a). Ideálna dióda vo vodivom smere má nulový odpor. V nevodivom smere - nekonečne veľký odpor (obr. 1.2, b).

Obrázok 1.2 Symbol (a) a CVC

charakteristika ideálnej diódy (b)

v polovodičoch R-typ, otvory sú hlavnými nosičmi. Elektrická vodivosť otvoru bola vytvorená zavedením atómov akceptorovej nečistoty. Ich valencia je o jednu menšia ako v prípade polovodičových atómov. V tomto prípade atómy nečistôt zachytávajú polovodičové elektróny a vytvárajú diery - mobilné nosiče náboja.

v polovodičoch n-typu hlavnými nosičmi sú elektróny. Elektronická elektrická vodivosť sa vytvára zavedením atómov donorových nečistôt. Ich valencia je o jednu väčšiu ako v prípade polovodičových atómov. Pri vytváraní kovalentných väzieb s polovodičovými atómami nevyužívajú atómy nečistôt 1 elektrón, ktorý sa uvoľňuje. Samotné atómy sa stávajú nehybnými kladnými iónmi.

Ak je na vonkajšie svorky diódy pripojený zdroj napätia v priepustnom smere, potom tento zdroj napätia vytvorí v okres prechodové elektrické pole smerujúce k vnútornému. Výsledné pole sa zmenší. Tým sa spustí proces difúzie. V obvode diódy bude prúdiť jednosmerný prúd. Čím väčšia je hodnota vonkajšieho napätia, tým menšia je hodnota vnútorného poľa, čím užšia je blokovacia vrstva, tým väčšia je hodnota jednosmerného prúdu. S nárastom vonkajšieho napätia sa jednosmerný prúd zvyšuje exponenciálne (obr. 1.3). Po dosiahnutí určitej hodnoty vonkajšieho napätia sa šírka bariérovej vrstvy zníži na nulu. Dopredný prúd bude obmedzený len objemovým odporom a bude sa lineárne zvyšovať so zvyšujúcim sa napätím.

Obr.1.3. IV charakteristika skutočnej diódy

V tomto prípade je pokles napätia na dióde priamym poklesom napätia. Jeho hodnota je malá a závisí od materiálu:

germánium Ge: U pr= (0,3 - 0,4) V;

kremík Si: U pr\u003d (0,6 – 1) V.

Ak zmeníte polaritu vonkajšieho napätia, elektrické pole tohto zdroja sa zhoduje s vnútorným. Výsledné pole sa zväčší, šírka bariérovej vrstvy sa zväčší a prúd v ideálnom prípade nebude tiecť opačným smerom; ale keďže polovodiče nie sú ideálne a okrem hlavných mobilných nosičov existuje malý počet vedľajších, v dôsledku toho vzniká spätný prúd. Jeho hodnota závisí od koncentrácie menšinových nosičov a zvyčajne je niekoľko až desiatky mikroampérov.

Koncentrácia menšinových nosičov je menšia ako koncentrácia hlavných, takže spätný prúd je malý. Veľkosť tohto prúdu nezávisí od veľkosti spätného napätia. Kremíkový spätný prúd je o niekoľko rádov menší ako prúd germánia, ale kremíkové diódy majú vyšší pokles napätia vpred. Koncentrácia menšinových nosičov závisí od teploty a keď sa zvyšuje, spätný prúd sa zvyšuje, takže sa nazýva tepelný prúd I o:

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

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

Existuje približný vzorec

Io(T)=Io(To)2T * ,

kde T *- prírastok teploty, ktorý zodpovedá zdvojnásobeniu tepelného prúdu,

T*Ge= 8...10 °C; T*Si= 6 °C.

Analytický výraz pre VAC r-p prechod vyzerá takto:

, (1.2)

kde U je aplikované vonkajšie napätie.

Pre teplotu 20°C φ t = 0,025 V.

So zvýšením teploty v dôsledku zvýšenia tepelného prúdu a znížením potenciálovej bariéry, znížením odporu polovodičových vrstiev dochádza k posunu priamej vetvy I–V charakteristiky v oblasti vysokých prúdov. . Objemový odpor polovodičov klesá n a R. V dôsledku toho bude pokles napätia vpred menší. So stúpajúcou teplotou v dôsledku zníženia rozdielu medzi koncentráciami hlavných a vedľajších nosičov potenciálna bariéra bariérovej vrstvy klesá, čo tiež povedie k zníženiu U pr, pretože bariérová vrstva zmizne pri nižšom napätí.

Rovnaký prúd bude zodpovedať rôznym priepustným napätiam (obr. 1.4), ktoré tvoria rozdiel DU,

kde e- teplotný koeficient napätia.

Ak je prúd cez diódu konštantný, pokles napätia na dióde sa zníži. So zvýšením teploty o jeden stupeň sa pokles napätia v priepustnom smere zníži o 2 mV.

Ryža. 1.4. VAC r-p prechod na obr. 1.5. CVC germánia a

rôzne teploty kremíkových diód

So stúpajúcou teplotou sa spätná vetva prúdovo-napäťovej charakteristiky posúva nadol (obr. 1.4). Rozsah prevádzkových teplôt pre germániové diódy je 80 °C, pre kremíkové diódy 150 °C.

IV charakteristiky germánových a kremíkových diód sú znázornené na obr. 1.5.

Diferenciálny odpor r-p prechod (obr. 1.6):

(1.3)

So zvyšujúcim sa prúdom r d- klesá.

1.6 Definícia diferenciálu

odpor diódy

DC odpor r-p prechod: .

Jednosmerný odpor je charakterizovaný koeficientom uhla sklonu priamky vedenej od začiatku k danému bodu. Tento odpor závisí aj od veľkosti prúdu: so zvyšujúcim sa I odpor klesá . R Ge< R Si .

IV charakteristika polovodičovej diódy sa trochu líši od IV charakteristiky ideálnej diódy. Takže v dôsledku úniku prúdu cez povrch kryštálu bude skutočný spätný prúd väčší ako tepelný prúd. Preto je spätný odpor skutočnej diódy menší ako odpor ideálnej diódy. r-p prechod.

Pokles napätia vpred je väčší ako ideálny r-p prechod. Je to spôsobené poklesom napätia cez polovodičové vrstvy. R a P typu. Navyše v skutočných diódach jedna z vrstiev R alebo P má vyššiu koncentráciu hlavných nosičov ako druhý. Vrstva s vysokou koncentráciou majoritných nosičov sa nazýva žiarič, má zanedbateľný odpor. Vrstva s nižšou koncentráciou majoritných nosičov sa nazýva báza. Má pomerne veľký odpor.

K zvýšeniu poklesu napätia v priepustnom smere dochádza v dôsledku poklesu napätia na základnom odpore.

Na výpočet elektronických obvodov obsahujúcich polovodičové diódy je potrebné ich reprezentovať vo forme ekvivalentných obvodov. Ekvivalentný obvod polovodičovej diódy s po častiach lineárnou aproximáciou jej CVC je znázornený na obr. 1.7. Obrázok 1.8 ukazuje ekvivalentné obvody využívajúce I–V charakteristiky ideálnej diódy a I–V charakteristiky ideálnej diódy pn prechod ( r d je odpor diódy, r je zvodový odpor diódy).

Obr.1.7. Aproximácia prúdovo-napäťovej charakteristiky diódy

lineárne segmenty

Obr.1.8. Výmena diód pomocou I-V charakteristík

ideálna dióda (a) a CVC ideálne pn prechod (b)

Činnosť diódy v obvode so záťažou. Uvažujme o najjednoduchšom zapojení s diódou a rezistorom a pôsobením bipolárneho napätia na jeho vstupe (obr. 1.9). Vzor rozloženia napätia na prvkoch obvodu je určený polohou siločiar (obr. 1.10) - na grafe CVC diódy sú vynesené dva body pozdĺž osi napätia v oboch smeroch, určené pomocou + Hm a – U m napájacie napätie, ktoré zodpovedá napätiu na dióde pri skratovanej záťaži R n a prúdy sa ukladajú na prúdovú os v oboch smeroch U m / R n a - U m / R n, čo zodpovedá skratovanej dióde. Tieto dva body sú spojené v pároch priamkami, ktoré sa nazývajú zaťaženie. Križovatky nákladných čiar R n v prvom a treťom kvadrante s vetvami

I–V charakteristiky diódy pre každú fázu napájacieho napätia zodpovedajú

Ryža. 1.9. Obvod s diódou a Obr. 1.10. CVC dióda so záťažou

priame zaťaženie

ich identické prúdy (čo je potrebné, keď sú zapojené do série) a určujú polohu pracovných bodov.

pozitívna polvlna U>0, U=U m.

Táto polarita je priama pre diódu. Prúd a napätie budú vždy spĺňať charakteristiky prúdového napätia:

,

okrem toho:

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

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

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

s priamym spojením U m >> U pr(obr. 1.10).

V praktickej aplikácii U pr>0 (U pr- priepustné napätie), keď je dióda otvorená. Keď dióda pracuje v priepustnom smere, napätie na nej je minimálne - ( Ge-0,4V; Si-0,7 V) a možno ho považovať za približne rovný nule. Prúd bude potom maximálny.

Obr.1.11. Napäťové a prúdové signály v diódovom obvode so záťažou

.

negatívna polvlna U<0, U= -U m .

Charakteristika diódy je rovnaká, ale

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<

Kapacity r-p prechod. Keď je zapnutý r-p prechod v opačnom smere, ako aj pri malých dopredných napätiach v regióne r-p prechodu je dvojitá elektrická vrstva: v R oblasti - negatívne, v P oblasti - pozitívne.

Akumulácia nekompenzovaného náboja v tejto vrstve vedie k vzniku kapacity r-p prechod, ktorý sa nazýva bariérová kapacita. Charakterizuje zmenu akumulovaného náboja so zmenou vonkajšieho napätia podľa obr. 1.12. C b \u003d dQ / dU .

Ryža. 1.12. Závislosť bariérovej kapacity

zo spätného napätia.

Kapacita bariéry závisí od geometrických rozmerov r-p prechod. S nárastom U arršírka r-p prechod sa zvyšuje a kapacita klesá.

Keď sa dióda zapne v priepustnom smere, bariérová kapacita prakticky zmizne a menšinové nosiče prenesené z žiariča sa hromadia v základnej vrstve diódy. Táto akumulácia náboja tiež vytvára kapacitný efekt, ktorý sa nazýva difúzna kapacita. C d zvyčajne presahuje C b.

Stanoví sa difúzna kapacita C d \u003d dQ d / dU.

Tieto kapacity ovplyvňujú činnosť diód pri vysokých frekvenciách. Kapacity r-p prechod je zaradený do ekvivalentného obvodu (obr. 1.13).

Ryža. 1.13. Diódové ekvivalentné obvody berúc do úvahy kapacity:

a – kapacita bariéry; b - difúzna kapacita

Prechodové procesy v diódach. Keď diódy pracujú s vysokofrekvenčnými signálmi (1-10 MHz), proces prechodu z nevodivého stavu do vodivého stavu a naopak nenastane okamžite kvôli prítomnosti kapacity v prechode, kvôli akumulácii nábojov v základni diódy.

Na obrázku 1.14 sú časové diagramy zmien prúdu cez diódu a záťaž s pravouhlými impulzmi napájacieho napätia. Kapacity v diódovom obvode deformujú nábežnú a zadnú hranu impulzov, čo spôsobuje, že sa objaví čas absorpcie tp.

Pri výbere diódy pre konkrétny obvod je potrebné vziať do úvahy jej frekvenčné vlastnosti a rýchlosť.

Ryža. 1.14. Prechodné procesy pri

spínacia dióda:

t f1- trvanie prednej hrany prechodu;

t f2- trvanie odtokovej hrany;

tp- čas rozpúšťania.

Zlomiť r-p prechod. Spätné napätie diódy sa nemôže zvýšiť na ľubovoľne veľkú hodnotu. Pri určitom spätnom napätí, charakteristickom pre každý typ diódy, dochádza k prudkému zvýšeniu spätného prúdu. Tento efekt sa nazýva prechodový rozpad. Existuje niekoľko typov členenia (obr. 1.15):

1 - lavínový rozpad, keď dôjde k zvýšeniu spätného prúdu v dôsledku lavínového znásobenia nehlavných nosičov;

Ryža. 1.15. CVC pre rôzne typy členenia

2-tunelový prepad, kedy dochádza k prekonaniu potenciálnej bariéry a blokujúcej vrstvy vplyvom tunelového efektu.

Počas lavínových a tunelových porúch sa spätný prúd zvyšuje pri konštantnom spätnom napätí.

Ide o elektrické poruchy. Sú reverzibilné. Po odstránení U arr dióda obnoví svoje vlastnosti.

3- tepelný rozpad, nastáva, keď sa množstvo tepla uvoľní v r-p prechodu, viac tepla je odovzdané povrchom diódy do okolia. Avšak so zvyšujúcou sa teplotou r-p prechodom sa zvyšuje koncentrácia menšinových nosičov, čo vedie k ešte väčšiemu zvýšeniu spätného prúdu, čo zase vedie k zvýšeniu teploty atď. Pretože pre diódy vyrobené na báze germánia, som arr viac ako pri diódach na báze kremíka, potom u prvých je pravdepodobnosť tepelného rozpadu vyššia ako u druhých. Preto je maximálna prevádzková teplota pre kremíkové diódy vyššia (150 o ... 200 o C) ako pre germániové (75 o ... 90 o C).

S týmto rozpisom r-p prechod je zničený.

Testovacie otázky.

1. Čo je to polovodičová dióda? Prúdová charakteristika ideálnej a skutočnej diódy?

2. Aké materiály sa používajú na výrobu polovodičových diód? Ako vytvoriť oblasti jedného alebo druhého typu vodivosti v polovodičovom substráte?

3. Aké je vlastné elektrické pole v kryštáli na hranici p-n- prechod? Ako sa zmení, keď sa použije externé napätie?

4. Čo vysvetľuje účinok jednosmerného vedenia p-n- prechod v polovodi?

5. Prúdovo-napäťové charakteristiky pn-prechody pre germániové a kremíkové diódy pri zmene vonkajšej teploty?

6. Ako sa určuje rozdielový odpor diódy?

7. Ako sú konštruované prúdovo-napäťové charakteristiky diódy so záťažovou priamkou?

8. Vysvetlite mechanizmus vzniku bariérovej a difúznej kapacity diódy? Ako ovplyvňujú činnosť diódy v obvodoch striedavého prúdu?

Prednáška 2 Špeciálne typy