Полупроводниковый диод и его структура

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами) для включения в электрическую цепь и обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток (p-n-переход) одного направления и плохо - противоположного направления. Это свойство диода используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный (ток одного направления).

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластинку с двумя областями разной проводимости: электронной (n- типа) и дырочной (p- типа). Между ними - разделяющая граница, называемаяp-n – переходом(область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности). Рабочий элемент - кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси.

Выращивая слой n-полупроводника на пластинкеp-полупроводника, получим двухслойный полупроводник сp-n-переходом между ними. Если к каждой половине припаять по соединительному проводу, то получится полупроводниковый диод, который действует на ток как вентиль: в одну сторону хорошо пропускает ток, а в другую сторону почти не пропускает.

Образование запирающего слоя начинается с того, что вp-половине больше дырок, а виn-половине больше электронов. Разность плотности носителей зарядов начинается уравновешиваться через переход: дырки проникают вn-половину, электроны вp-половину. Образование p-nперехода при использовании донорной примеси: Этот переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Эта толщина должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия преобразуется область с проводимостью р-типа. Остальная часть образца германия, в который атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между областями возникаетp-nпереход. В полупроводниковом диоде германий служит катодом (отрицательным электродом), а индий - анодом (положительным электродом).

18. Р-п-переход, его характеристики

Электронно-дырочный переход - это область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). Поскольку в р-области электронно-дырочного перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область.

Определяющее свойство р-n-пере­хода – односторонняя проводимость. Т. к. в р-области с дырочной проводимостью подвижных электронов значительно меньше, чем в n-области с элект­ронной проводимостью, то электроны из n-слоя начинают переходить в р-слой (у их границы), а дырки в то же время будут двигаться в обратном направлении. В пограничном слое с проводимостью n-типа образуется положительный объемный заряд, а в р-области— отрицательный. Так у границы раздела р- и n-областей образуются две зоны разноименных электрических зарядов. Этот слой и пред­ставляет собой р-n-переход. Возникновение разноименных зарядов влечет появле­ние электрического поля, которое препятствует проникновению электронов в р-область, а дырок в n-область, причем настолько эффективно, что лишь отдельные элект­роны и дырки, обладающие повышенной энергией, могут преодолевать его тормозящее действие. Наступает стабиль­ное состояние р-n-перехода.

Если к полупроводнику приложить электрическое на­пряжение, то в зависимости от полярности этого напряже­ния р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.

Когда отрицательный полюс источника подключен к n-области кристалла, а положительный — к р-об­ласти, внешнее электрическое поле и поле р-n-перехода направлены в противоположные стороны. Поэтому электрическое поле р-n-перехода окажется в зна­чительной степени ослабленным, и электроны из n-области смогут проникать в р-область, а дырки из р-области в n-область---возникает прямой ток. Полярность приложенного к кристаллу напряжения называют прямым.

Когда отрицательный полюс источника питания подключен к р-области кристалла, а по­ложительный к n-области, электрические поля источника и р-n-перехода совпадают. Суммарное поле возрастает и в еще большей степени препятствует передвижению электрических зарядов через р-n-переход. Здесь электрического тока через переход не будет. Такую полярность приложенного к кристаллу напряжения называют обратной.

К основным свойствам p-n перехода относятся:

- свойство односторонней проводимости;

- температурные свойства p-n перехода;

- частотные свойства p-n перехода;

- пробой p-n перехода.

Свойство односторонней проводимости p-n: ВАХ называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U).

Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется работа p-n перехода при изменении температуры. На p-n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени – охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока.

Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода:

- ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью;

- диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n переход при прямом включении.

Чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода.Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.

19. Пробой р-п-перехода, виды пробоя

Пробоем называют резкое увеличение обратного тока p-n-перехода при некотором обратном напряжении, превышающем напряжение пробоя . Различают электрический и тепловой пробои. Существуют три основных вида электрического пробоя: лавинный, туннельный и поверхностный.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией нейтральных атомов кристаллической решётки полупроводника в обеднённом слое под действием сильного электрического поля. При обратном напряжении ток в p-n-переходе создаётся дрейфовым движением неосновных носителей заряда, приходящих из нейтральных p и n-областей. В обеднённом слое эти носители ускоряются и при напряжении, превышающем некоторое критическое значение, приобретают на длине свободного пробега кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом полупроводника произвести его ионизацию, т.е. создать новую пару носителей заряда – электрон и дырку. Вновь образовавшиеся носители будут ускоряться полем и могут также вызвать ионизацию. При этом может начинается лавинообразный процесс роста количества носителей заряда. Соответственно нарастает обратный ток p-n-пере­хода.

Для оценки этого процесса введён коэффициент лавинного умножения , показывающий, во сколько раз обратный ток превышает исходную величину обратного теплового тока: где М - коэффициент лавинного умножения;

U_м-напряжение лавинного пробоя, при котором М = ∞, параметр, зависящий от материала полупроводника и типа электропроводности базовой области, причём , напряжение лавинного пробоя, причём − обратное приложенное напряжение.

Характерной особенностью лавинного пробоя является то, что с увеличением температуры напряжение пробоя возрастает. Этот рост происходит потому, что уменьшается длина свободного пробега носителей и для сообщения носителям заряда необходимой энергии требуется бóльшая напряжённость электрического поля.

Туннельный пробой представляет собой переход электронов сквозь потенциальный (энергетический) барьер между - переходомбез изменения энергии. Такой переход называют туннельным эффектом:электроны из валентной зоны p-области туннелируют на свободные уровни зоны проводимости n-области без изменения энергии.

Туннельный пробой возникает при очень высокой ( В/см) напряжённости электрического поля в обеднённом слое. Поэтому туннельный эффект наблюдается в узких переходах при толщине барьера порядка мкм и с очень высокой концентрацией примеси ( ) в переходах - . Напряжение туннельного пробоя составляет 0 ÷ 5 В.

Повышение температуры приводит к понижению напряжения туннельного пробоя из-за уменьшения ширины запрещённой зоны , т.е. с ростом температуры уменьшается ширина запрещённой зоны, а это снижает высоту и ширину барьера. Следовательно, напряжение туннельного пробоя имеет отрицательный температурный коэффициент.

Формула для расчёта напряжения пробоя при туннельном пробое в литературе отсутствует.

Поверхностный пробой объясняется резким увеличением тока утечки. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхностных зарядов между выходящими на поверхность участками p-n-перехода могут образовываться проводящие плёнки и каналы, по которым будет протекать ток утечки . Поверхностный пробой пропорционален величине обратного напряжения и в некоторых случаях может превысить тепловой ток, что эквивалентно пробою. Для уменьшения тока утечки принимают специальные конструкторские и технологические меры, например, защитные пленочные покрытия. Поэтому поверхностный пробой является крайне редким явлением.

Тепловой пробой диода – это пробой, вызванный разогревом ОПЗ обратным током при недостаточном теплоотводе от кристалла. Обусловлен выделяющейся мощностью из-за протекания обратного тока под действием обратного напряжения, что вызывает разогрев p-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. Повышение температуры приводит к увеличению обратного тока.

Выделяющаяся мощность за счёт теплопроводности отводится от зоны нагрева и рассеивается в окружающей среде. Часть выделяющейся мощности отводится путём непосредственного излучения.

Отводимая за счёт теплопроводности мощность пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению участка конструкции p-n-переход − окружающая среда Через некоторое время после включения напряжения U_обр устанавливается тепловое равновесие – баланс выделяемой и отводи­мой мощностей: , которое определяет установившуюся (стационарную) температуру p-n-пере­хода.

Тепловой пробой не может быть использован в качестве механизма стабилизации. Он только ограничивает рабочую величину обратного тока лавинного или туннельного пробоя.