Устройство полупроводникового диода и основные физические процессы

Полупроводниковым диодом называется электропре­образовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий два вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозна­чение приведены на рис. 1.1, а, б.

Рис. 1.1

Буквами р и n обозначены слои полупроводника с про­водимостями соответственно p-типа и n-типа.

Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различают­ся. Слой полупроводника, имеющий большую концентра­цию, называют эмит­тером, а имеющий меньшую концен­трацию – базой.

Далее рассмотрим основные элементы диода (р-n-переход и невыпрямляющий контакт металл–полупровод­ник), физические явления, лежащие в основе работы ди­ода, а также важные понятия, использующиеся для описания диода. Глубокое понимание физических явле­ний и владение указанными понятиями необходимо не только для того, чтобы правильно выбирать конкретные типы диодов, но и для того, чтобы определять режимы работы соответствую­щих схем при выполнении традиционных расчетов по той или иной методике. В связи с быстрым внедрением в практи­ку инженерной работы современных систем схемотехни­ческого моделирования эти явления и понятия приходит­ся постоянно иметь в виду при выполнении математического моделирования. Системы моделирования быстро совершен­ствуются, и матема­тические модели элементов электронных схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» фи­зические явления. Это делает весьма желательным постоян­ное углубление знаний в описываемой области и необходи­мым – понимание основных физических явлений, а также правильное использование основных понятий.

Структура p-n-перехода

Вначале рассмотрим изолиро­ванные друг от друга слои полупроводника (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.3).

Рис. 1.3

Уровни зонных диаграмм и разности этих уровней часто характе­ризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя их в вольтах (В), например, указывают, что ширина запрещен­ной зоны φ з для кремния равна 1,11 В.

Теперь рассмотрим контактирующие слои полупровод­ника (рис. 1.4).

Рис. 1.4

В контактирующих слоях полупроводника имеет мес­то диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является их значительно большая концентрация в слое р. Аналогичная причина обеспечива­ет диффузию электронов из слоя n в слой р. Диффузия дырок из слоя p в слой n, во-первых, уменьшает их кон­центрацию в приграничной области слоя p и, во-вторых, уменьшает концентрацию свободных электронов в при­граничной области слоя n вследствие рекомбинации. К аналогичным результатам приводит и диффузия электронов из слоя n в слой р.

В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n воз­никает обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное со­противление. Ионы примесей обедненного слоя не ком­пенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют нескомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е (см. рис. 1.4). Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой р. Оно создает дрейфовый поток подвиж­ных неосновных носителей заряда: дырок из слоя n в слой p и электронов из слоя p в слой n. В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному. В несимметричном p-n-переходе более протяженным является заряд в слое с меньшей концентрацией примеси, т.е. в базе.

Изобразим зонную диаграмму для контактирующих сло­ев (рис. 1.5), учитывая, что уровень Ферми для них являет­ся единым.

Рис. 1.5

Рассмотрение структуры р-n-перехода и изучение зон­ной диаграммы (см. рис. 1.5) показывают, что в области пе­рехода возникает потенциальный барьер. Для кремния высота ∆φ потенциального барьера примерно равна 0,75 В.

Примем условие, что потенциал некоторой удаленной от перехода точки в слое p равен нулю. Построим график зависимости потенциала φ от координаты х соответству­ющей точки (рис. 1.6). На рисунке значение ко­ординаты х = 0 соответствует границе слоев полупровод­ника.

Рис. 1.6

В электротехнике и электронике потенциал определя­ют как работу, совершаемую силами поля по переносу еди­ничного положительного заряда.

Построим график зависимости потенциала φэ, опреде­ляемого на основе электротехнического подхода, от коор­динаты х (рис. 1.7). Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем опускать и использовать только электротехнический под­ход (за исключением зонных диаграмм).

Рис. 1.7

Прямое и обратное включение р-n-перехода. Идеализиро­ванное математическое описание характеристики перехода

Подключим к p-n-переходу внешний источник напряжения так, как это показано на рис. 1.8.

Рис. 1.8

Это пря­мое включение р-n-перехода. В результате потенциальный барьер уменьшится на величину напряжения u (рис. 1.9), дрейфовый поток уменьшится, а диффузный увеличится, р-n-переход перейдет в неравновесное состояние, и через него будет протекать прямой ток.

Рис. 1.9

Подключим к p-n-переходу источник напряжения так, как это показано на рис. 1.10.

Рис. 1.10

Это обрат­ное включение р-n-перехода. Теперь потенциальный ба­рьер увеличится на напряжение u (рис. 1.11). В рассмат­риваемом случае ток через p-n-переход будет очень мал. Это обратный ток, который обеспечива­ется термогенерацией электронов и дырок в областях, прилегающих к области p-n-перехода.

Рис. 1.11

Обозначим через u напряжение на p-n-переходе, а че­рез i – ток перехода (рис. 1.12).

Рис. 1.12

Для идеального р-n-перехода имеет место следующая зависимость тока i от на­пряжения u

, причем

где is – ток насыщения (тепловой ток);

k – постоянная Больцмана, k = l,38·10-23 Дж/К = 8,62·10-5 эВ/К;

Т – абсолютная температура, К;

q – элементарный заряд, q = 1,6·10-19 Кл;

φ т – температурный потенциал.

Изобразим график зависимости тока i от напряжения u, которую называют вольт - амперной характеристикой p-n-перехода (рис. 1.13).

Рис. 1.13

Пробой р-n-перехода

Пробоем называют резкое изме­нение режима работы перехода, находящегося под обрат­ным напряжением. Характерной особенностью этого из­менения является резкое уменьшение диффе­ренциального сопротивления перехода rдиф, которое определяется выра­жением

где u – напряжение на переходе;

i – ток перехода (см. рис. 1.12).

После начала пробоя незначительное увеличение об­ратного напряжения сопровождается резким увеличени­ем обратного тока. В процессе пробоя ток может увели­чиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае диф­ференциальное сопротивление оказывается отрицатель­ным). Изобразим соответствующий участок вольт-ампер­ной характеристики p-n-перехода (рис. 1.14).

В основе пробоя p-n-перехода лежат три физических явления:

• туннельного пробоя p-n-перехода (эффект, явление Зенера);

• лавинного пробоя p-n-перехода;

• теплового пробоя p-n-перехода.

Рис. 1.14

Термин «пробой» используется для описания всей со­вокупности физических явлений и каждого отдельного явления.

И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Рассмотрим все три вида пробоя.

Туннельный пробой. Его называют также зенеровским пробоем по фамилии ученого (Zener), впервые описавше­го соответствующее явление в однородном материале. Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процес­сы при пробое перехода, в основе которых лежал лавин­ный пробой. Напряжение, при котором начи­нается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяс­нения механизма туннельного пробоя схематически изо­бразим соответствующую зонную диаграмму p-n-перехода (рис. 1.15).

Рис. 1.15

Если расстояние между валентной зо­ной и зоной проводимости в кристалле (ширина, толщина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект – яв­ление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в р-n-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопро­тивления.

Лавинный пробой. Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Схематично явле­ние лавинного пробоя изобразим на рис. 1.16.

Рис. 1.16

Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соуда­рения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (име­ющей большое удельное сопротивление).

Тепловой пробой. Увеличение тока при тепловом пробое объясняется разогревом полупроводника в области р-n-перехода и соответствующим увеличением удельной прово­димости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если полупровод­ник – кремний, то при увеличении обратного напряжения тепловой пробой обычно возникает после электрического (во время электрического пробоя полупроводник разогре­вается, а затем начинается тепловой пробой). После элек­трического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел на­греться достаточно сильно, свойства перехода необрати­мо изменяются (соответствующий полупроводниковый прибор выходит из строя).

Явление изменения нескомпенсированных объемных заря­дов в области р-n-перехода. Барьерная емкость

Как уже отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок че­рез р-n-переход в области перехода возникают нескомпен­сированные объемные (пространственные) заряды иони­зированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока. Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое, в свою очередь, самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т.е. на процесс протекания тока.

При увеличении обратного напряжения область про­странственных зарядов (главным образом за счет базы) и величина заряда в каждом слое (p и n) полупроводника увеличиваются. Это увеличение происходит непропорци­онально: при большом по модулю обратном напряжении заряд увеличивается медленнее, чем при малом по модулю обратном напряже­нии.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.17), где ис­пользуем обозначения:

Q – пространственный заряд в слое n полупроводни­ка;

u – внешнее напряжение, приложенное к р-n-переходу.

Рис. 1.17

Обозначим через f функцию, описывающую зависи­мость Q от u. В соответствии с изложенным, Q = f(u).

Напомним известную формулу, определяющую зависимость величины заряда от напряжения Q = Cu.

На практике широко использу­ют барьерную емкость Сбар p-n-перехода, причем по определению Сбар = |d Q/ d u |. Изобразим графи­ки для Q (рис. 1.18) и Сбар (рис. 1.19).

Рис. 1.18

Рис. 1.19

Явление возникновения и изменения объемного заряда неравновесных носителей электричества. Диффузионная ем­кость

Если напряжение внешнего источника напряжения смещает p-n-переход в прямом направлении (u >0), то начинается инжекция (эмиссия) – поступление неоснов­ных (для рассматриваемого слоя) носителей электричества в рассматриваемый слой полупроводника. В случае несимметричного p-n-перехода (что обычно бывает на практике) основную роль игра­ет инжекция из эмиттера в базу.

Далее предполагаем, что переход несимметричный и что эмиттером является слой р, а базой – слой n. Тогда ин­жекция – это поступление дырок в слой n. Следствием инжекции является возникновение в базе объемного за­ряда дырок.

Известно, что в полупроводниках имеет место явление диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла), которое состоит в том, что возникший объемный заряд практически мгновенно компенсируется зарядом подо­шедших свободных носителей другого знака.

В соответствии с этим поступивший в базу заряд ды­рок будет практически мгновенно нейтрализован таким же по модулю зарядом электронов. Используем обозначения:

Q – объемный заряд неравновесных носителей в базе;

u – внешнее напряжение, приложенное к р-n-переходу;

f – функция, описывающая зависимость Q от u.

Дадим поясняющие иллюстрации (рис. 1.20, 1.21). В соответствии с изложенным, Q = f (u). На практике удобно и принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференциро­вания. При этом используют понятие диффузионной емкости Сдиф p-n-перехода, причем по определению Сдиф = d Q /d u. Емкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носите­лей в базе.

Рис. 1.20 Рис. 1.21

Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.21, а). В свою очередь, ток i экспоненциально зависит от напря­жения и (соответствующее выражение приведено выше), поэтому производная d i /d u также прямо пропорциональ­на току (для экспоненциальной функции ее производная тем больше, чем больше значение функции). Отсюда сле­дует, что емкость Сдиф прямо пропорциональна току i (рис. 1.21, б)

где φ т – температурный потенциал (определен выше);

t – среднее время пролета (для тонкой базы), или вре­мя жизни (для толстой базы).

Среднее время пролета – это время, за которое инжек­тируемые носители электричества проходят базу, а время жизни – время от инжекции носителя электричества в базу до рекомбинации.

Общая емкость р-n-перехода

Эта емкость Спер равна сумме рассмотренных емкостей, т.е. Спер = Сбар + Сдиф.

При обратном смещении перехода (u < 0) диффузион­ная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно Сдиф>Сбар.