2.1. Напівпровідникові діоди з електронно-дірковим переходом (pn – переходом).
Зміст
2.1. Напівпровідникові діоди з електронно-дірковим переходом (pn – переходом)
2.3. Вольтамперна характеристика pn переходу
2.4. Вплив генераційно-рекомбінаційних процесів на ВАХ pn переходу
2.5. Бар'єрна ємність pn переходу
2.6. Дифузійна ємність pn переходу
2.7. Перехідні процеси
2.6. Пробій pn переходу
2.1. Напівпровідникові діоди з електронно-дірковим переходом (pn – переходом).
Найпростішим напівпровідниковим приладом є діод, що представляє напівпровідниковий кристал з електронно-дірковим (pn) переходом. На рис. 2.1. наведено позначення діода, його конструкція та діаграма розподілу домішки. Поблизу контактів, як правило, концентрація домішки та відповідно основних носіїв заряду підвищена. Це зроблено для того, щоб знизити опір між металевим контактом та напівпровідниковою областю. Основним елементом діода є електронно-дірковий перехід (pn-перехід).
Мал. 2.1. Напівпровідниковий діод з pn-переходом: позначення, конструкція, розподіл домішки
Електронно-дірковий перехід - основний елемент не тільки діодів, а й інших біполярних приладів, оскільки саме електронно-дірковий перехід дозволяє керувати потоками носіїв заряду в біполярних приладах. Електронно-дірковий перехід створюють у кристалі зміною типу провідності, шляхом введення відповідно акцепторної та донорної домішки.
Існує велика кількість способів створення pn переходу. На рис. 3.2. представлені схеми сплавної, дифузійної та епітаксійно-дифузійної технологій.
Мал. 2.2. Схеми виготовлення pn переходу різними технологічними методами.
При сплавній технології електронно-дірковий перехід утворюється намежі розділу вихідного кристала та рекристалізованої напівпровідникової області, в яку відбувалося вплавлення (рис. 2.2а). На рис. 2.2б показаний спосіб виготовлення pn переходу дифузією акцепторної домішки кристал n-типу. Особливість технології, показаної на рис. 2.2.в тому, що дифузія здійснюється в кристал з напівпровідникової плівкою n типу, вирощеної на кристалі n+ типу спеціальною епітаксійною технологією, що дозволяє зберегти структуру кристала в плівці.
Особливість електричних характеристик діода в тому, що він має низький опір при одній полярності прикладеної до нього напруги (плюс на аноді - пряме включення) і високим опором при іншій полярності (мінус на аноді - зворотне включення). Ця властивість діода забезпечила йому широке застосування у випрямлячах - схемах перетворення змінної напруги на постійне.
На рис. 2.3. показано вольтамперну характеристику напівпровідникового діода середньої потужності – залежність I(U), крива 1.
Мал. 2.3. Вольтамперні характеристики напівпровідникового діода (1) та ідеального випрямляча (2).
На тому ж рис. 2.3 наведено характеристику "ідеального" ключа, який пропускає струм при позитивній напрузі і не пропускає при негативному. Як видно з порівняння графіків, властивості напівпровідникового діода близькі до властивостей ідеального випрямляча, оскільки для нього струм у прямому напрямку може в мільйони разів бути більшим за струм у зворотному напрямку.
До основних недоліків напівпровідникового діода слід віднести: при прямому зміщенні - наявність області малих струмів на початковій ділянці ("п'ятка") та кінцевого опору товщі rs; при зворотному - наявність пробою та невеликого (проте сильно зростаючого з температурою) зворотного струму.
Слід звернути увагу на те, що пряма та зворотна гілки вольтамперної характеристики представлені на рис. 2.3 у різному масштабі.
Розглянемо роботу діода активне навантаження (рис. 1.4). Відповідну схему показано на рис. 2.4 а. Струм через діод описується його вольтамперною характеристикою Iдіод = f(Uдіод) , струм через навантажувальний опір дорівнюватиме струму через діод Iдіод = Iнагр = I , оскільки з'єднання послідовне, і для нього справедливе співвідношення Iнагр = (U(t) - Uдіод)/Rн .
На рис. 2.4 показані лінії, що описують ці функціональні залежності: ВАХ діода та навантажувальну характеристику.
Мал. 2.4. Діаграма, що пояснює роботу діода активне навантаження.
Як видно з малюнка, чим крутіша характеристика діода і чим менше зона малих струмів ("п'ятка"), тим краще випрямлювальні властивості діода. Захід робочої точки в передпробійну область призводить не тільки до виділення в діоді великої потужності та можливого його руйнування, але і до втрати випрямних властивостей.
При електротехнічному аналізі схем з діодами окремі гілки ВАХ представляють у вигляді прямих ліній, що дозволяє уявити діод у вигляді різних еквівалентних схем, див. рис. 2.5. Вибір тієї чи іншої схеми заміщення діода визначається конкретними умовами аналізу та розрахунку пристрою, в якому він застосовується.
Мал. 2.5. Еквівалентні схеми діода при прямому та зворотному включенні.
Випрямні властивості напівпровідникового діода обумовлені асиметрією електричних властивостей його основного елемента pn – переходу.
Діоди з pn переходом відносять до біполярних приладів, оскільки в процесах перенесення заряду через контактну область беруть участь як електрони, так і дірки.
Розглянемо основні явища, що призводять до виникнення на кордоніміж p і n областями потенційного бар'єру (замикаючого шару), що визначає нелінійність вольтамперної характеристики (ВАХ) діода.
На рис. 2.6 представлені енергетичні діаграми для легованих акцепторною домішкою (p тип) і донорною домішкою (n тип) двох напівпровідникових кристалів одного і того ж матеріалу, що знаходяться на близькій відстані, але не взаємодіють один з одним.
Як це ілюструє діаграма рис. 2.6 матеріал p і n типу відрізняється положенням рівнів Фермі - Fp та Fn, і відповідно роботою виходу Фp та Фn. За роботу виходу електронів у напівпровідниках приймають енергетичну відстань від рівня Фермі до енергетичного рівня відповідного енергії електрона, що знаходиться у вакуумі з нульовою кінетичною енергією (нульовий рівень). Цю роботу виходу іноді називають термодинамічною, оскільки на відміну від металу, на рівні Фермі в напівпровіднику у тому випадку, якщо немає відповідних цьому рівню енергетичних станів, електрони ніколи не будуть перебувати.
Електрони можуть знаходитися в зоні провідності та енергію χ необхідну для того, щоб вивести електрон із дна зони провідності у вакуум називають спорідненість до електрона.
Мал. 2.6. Енергетична діаграма: (а) ізольовані p та n області,
При створенні pn переходу - тісного між p і n областями тісного фізичного контакту (з єдиними кристалічними гратами), між областями встановлюється обмін електронами, причому з матеріалу n типу виходять переважно електрони, а з матеріалу p типу переважно дірки (вихід з кристала дірки відповідає входу в кристал електрона).
Не еквівалентність потоків електронів з n p область і з p n область призводить до того, що на межі розділу з'являється просторовий заряд. У nобласті заряд буде позитивний, оскільки з неї йдуть "домішні" електрони і залишається не скомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки. У області заряд буде негативний, оскільки з неї йдуть “домішні” дірки і залишається не скомпенсований негативний заряд іонів акцепторної домішки. Таким чином на межі розділу (pn переході) виникає подвійний заряджений шар, що ілюструє діаграма рис. 2.7. При цьому позитивний заряд p області дорівнює негативному заряду в n області, так що зразок в цілому залишається електронейтральним. Дійсно, загальна кількість позитивних і негативних зарядів у зразку при виникненні області просторового заряду (ОПЗ) не змінюється, проте відбувається їх перерозподіл у локальній області pn переходу, всередині якої електронейтральність порушується.
Мал. 2.7. Діаграма, що пояснює виникнення області просторового заряду (подвійного зарядженого шару) у pn переході
Виникло контактне електричне поле спрямоване від області з донорною домішкою до області з акцепторної домішкою, тому воно перешкоджає переходу електронів з області n і дірок з p. При певному значенні поля встановиться рівновага, коли кількість зарядів, що переходять назустріч один одному, однакова. Цьому електричному полю відповідає рівноважне значення контактної різниці потенціалів.
Для знаходження контактної різниці потенціалів, можна скористатися тією умовою, що у неоднорідних системах що у рівновазі рівень Фермі (хімічний потенціал) і той ж всім частин системи, як і показано на рис. 2.6 б для pn переходу, виконаного в єдиному кристалі.
Області, що знаходяться на віддаленні від місця контакту p і n областей не піддаються впливу pn переходу,тому їх має характеризувати енергетична діаграма, показана для ізольованих областей рис. 2.6а. Як видно із рис. 2.6б потенційна енергія електронів у зонах щодо нульового рівня у вакуумі змінюється тільки за рахунок виникнення в області pn переходу просторового заряду та відповідного йому потенційного бар'єру. Як видно з діаграм рис 2.6а та рис 2.6б величина контактної різниці потенціалів дорівнює:
де Uк виражена у вольтах, а Fn та Fp в електронвольтах.
Виникнення подвійного шару просторового заряду та відповідного йому обумовленого контактним полем потенційного бар'єру порушує симетрію транспорту через pn перехід дірок та електронів. Справді бар'єр існує лише основних носіїв (nn і pp), оскільки у сусідню область вони переміщаються проти сил електростатичного взаємодії з полем. Відповідно бар'єр зможуть подолати ті носії nn і pp, теплова енергія яких вище енергії потенційного бар'єру, тобто. носії які у високоенергетичний хвіст розподілу Больцмана (аналог розподілу Максвелла в газах).
Чим вища висота потенційного бар'єру тим менше основних носіїв зможе його подолати. Оскільки основні носії переміщуються через кордон дифузійним механізмом їх струм часто називають дифузійним, при цьому слід звернути увагу (рис. 2.7), що напрями дифузійних струмів, створюваного nn і pp збігаються: Jдіф = Jnдіф + Jpдіф.
Для неосновних носіїв (np і pn) потенційного бар'єру немає, оскільки напрям сил їхньої електростатичної взаємодії з контактним полем збігається з напрямком їх переходу в сусідню область, див. рис. 2.7 та рис. 2.6. Тому потік неосновних носіїв залежить тільки від їх концентрації вприконтактної області і не залежить від висоти бар'єру. Усі неосновні носії, що потрапили в область просторового заряду pn переходу, будуть підхоплені електричним полем і перекинуті в сусідню область. Слід звернути увагу (див. рис 2.7), що напрям струму Js, створюваного неосновними носіями np і pn, дрейфуючими в електричному полі переходу pn збігаються: Js = Jsn + Jsp. Оскільки сумарний струм через pn перехід у відсутності зовнішньої напруги повинен дорівнювати нулю, тоJ диф = -J s.
Розглянувши основні явища, пов'язані з виникненням у pn переході потенційного бар'єру та його впливу на транспорт носіїв заряду, приступимо до кількісного опису мета якого полягає у побудові математичної моделі, яка могла б пов'язати електричні характеристики переходу з технологічними параметрами областей та температурою навколишнього середовища.
Використовуючи співвідношення, отримані в попередньому розділі, запишемо співвідношення для розрахунку основних та неосновних носіїв заряду в p і n областях через значення рівня Фермі у відповідних областях (рис. 2.6). Позначимо рівноважні концентрації індексом 0.