Prechod elektrón-diera ( p-n- prechod, n-p-prechod), prechodová oblasť polovodiča, v ktorej dochádza k priestorovej zmene typu vodivosti z el. n do diery p.Prechod elektrón-diera je základom širokej triedy polovodičových zariadení na nelineárnu konverziu elektrických signálov v rôznych elektronických zariadeniach.
Vonkajšie elektrické pole mení výšku potenciálnej bariéry a narúša rovnováhu prúdových tokov cez ňu. Ak je napájacie napätie privedené tak, že plus je pripojené k p- kryštál oblasti, a mínus - do n- oblasť, potom sa tento smer nazýva priepustnosť. V tomto prípade je vonkajšie pole nasmerované proti kontaktnému, to znamená, že potenciálna bariéra je znížená (predpätie). Keď sa aplikované napätie zvyšuje, počet väčšinových nosičov, ktoré môžu prekonať potenciálnu bariéru, sa zvyšuje exponenciálne. Koncentrácia menšinových nosičov na oboch stranách prechodu elektrón-diera sa zvyšuje v dôsledku vstrekovania menšinových nosičov, súčasne v R- a n- cez kontakty vstupujú rovnaké množstvá väčšinových nosičov, čo spôsobuje neutralizáciu nábojov vstreknutých nosičov. V dôsledku toho sa rýchlosť rekombinácie zvyšuje a cez prechod elektrón-diera sa objavuje nenulový prúd. Keď sa aplikované napätie zvyšuje, tento prúd sa zvyšuje exponenciálne.
V obrátenej polarite (reverzné predpätie), keď je pripojený kladný pól napájacieho zdroja n- oblasť, a negatívne - do R- potenciál v prechodnom regióne sa rovná UD+U, kde U- veľkosť použitého napätia.
Zvýšenie potenciálnej bariéry vedie k tomu, že difúzia majoritných nosičov cez p-n- prechod sa stáva zanedbateľným. Zároveň sa nemenia toky menšinových dopravcov cez križovatku, pretože pre nich neexistuje žiadna bariéra. Toky menšinových nosičov sú určené rýchlosťou tepelnej tvorby párov elektrón-diera. Tieto pary difundujú k bariére a sú oddelené jej poľom, v dôsledku čoho sa cez p-n- prechodom tečie saturačný prúd, ktorý je zvyčajne malý a takmer nezávislý od použitého napätia.
Teda závislosť prúdu cez p-n- prechod aplikovaného napätia U(prúdovo-napäťová charakteristika) má výraznú nelinearitu. Pri zmene znamienka napätia prechádza prúd p-n- prechod sa môže zmeniť 10 5 -10 6-krát. Tým p-n- prechod je ventilové zariadenie vhodné na usmerňovanie striedavých prúdov (pozri Polovodičová dióda).
Povaha charakteristiky prúdového napätia - zakrivenie vzostupnej vetvy, medzné napätie, absolútne hodnoty prúdov, rektifikačný faktor (pomer dopredného a spätného prúdu pri napätí 1 V) a iné parametre sú určené typom polovodiča, koncentráciou a typom distribúcie nečistôt v blízkosti n-p-prechod.
Zmena použitého napätia p-n- prechod, vedie k rozšíreniu alebo zmenšeniu oblasti priestorového náboja. Priestorové náboje sú nehybné a spojené s iónmi kryštálovej mriežky donorov a akceptorov, preto môže byť nárast priestorového náboja spôsobený iba rozšírením jeho oblasti a následne znížením kapacity. p-n- prechod. S predpätím vpred sa ku kapacite vrstvy priestorového náboja pridáva difúzna kapacita, ktorá sa tiež nazýva nabíjacia alebo bariérová kapacita v dôsledku skutočnosti, že zvýšenie napätia na p-n- prechod vedie k zvýšeniu koncentrácie menšinových nosičov, teda k zmene náboja. Závislosť kapacity od použitého napätia umožňuje použiť p-n- prechod ako elektrický premenný kondenzátor - varikap.
Závislosť na odpore p-n- prechod od veľkosti a znamienka aplikovaného napätia umožňuje použiť ho ako nastaviteľný odpor - varistor.
Keď sa na spojenie elektrón-diera aplikuje dostatočne vysoká spätná odchýlka U = U pr dôjde k elektrickému prierazu, pri ktorom preteká veľký spätný prúd. Stav, v ktorom dôjde k elektrickému výpadku p-n- prechod, je normálny režim činnosti niektorých polovodičových zariadení, ako sú zenerove diódy.
V závislosti od fyzikálnych procesov, ktoré spôsobujú prudký nárast spätného prúdu, existujú tri hlavné mechanizmy rozpadu p-n- prechody: tunelové, lavínové, termické.
Tunelový (Zenerov) prieraz nastáva, keď nosiče tunelujú cez bariéru (pozri Tunelový efekt), keď napríklad dochádza k tunelovému úniku elektrónov z valenčného pásma. p-oblasti vo vodivom pásme n- oblasť polovodiča. V tom mieste dochádza k tunelovaniu elektrónov pn- prechod, pri ktorom v dôsledku jeho nehomogenity dochádza k najvyššej intenzite poľa. Prielomové napätie tunela p-n- prechod nezávisí len od koncentrácie dopantu a kritickej intenzity poľa, pri ktorej sa tunelový prúd zvyšuje p-n- prechodu, ale aj na hrúbku p-n- prechod. S rastúcou hrúbkou p-n- prechodu, pravdepodobnosť tunelového úniku elektrónov klesá a lavínový rozpad sa stáva pravdepodobnejším.
Počas lavíny p-n- prechode na strednej voľnej dráhe v oblasti priestorového náboja, získava nosič náboja energiu dostatočnú na ionizáciu kryštálovej mriežky, to znamená, že je založený na nárazovej ionizácii. S nárastom intenzity elektrického poľa silne narastá intenzita nárazovej ionizácie a proces množenia voľných nosičov náboja (elektrónov a dier) nadobúda lavínový charakter. V dôsledku toho prúd v p-n- prechod sa nekonečne zvyšuje až do tepelného rozpadu.
Tepelný rozpad spojený s nedostatočným odvodom tepla je spravidla lokalizovaný v oddelených oblastiach, kde existuje heterogenita konštrukcie. p-n- prechod a následne nehomogenita spätného prúdu, ktorý ním preteká. Zvýšenie teploty spôsobí ďalšie zvýšenie spätného prúdu, čo následne spôsobí zvýšenie teploty. Tepelný rozpad - nezvratný proces, ktorý prevláda v polovodičoch s relatívne úzkou šírkou pásma.
V p-n- prechody, možno pozorovať aj rozpad povrchu. Povrchové prierazné napätie je určené veľkosťou náboja lokalizovaného na povrchu polovodiča v bode výstupu p-n- prechod von. Svojou povahou môže byť povrchový rozpad tunelový, lavínový alebo termálny.
Okrem využitia nelinearity charakteristiky prúd-napätie a závislosti kapacity od napätia, p-n- križovatky nachádzajú rôzne aplikácie založené na závislosti rozdielu kontaktného potenciálu a saturačného prúdu od koncentrácie menšinových nosičov. Koncentrácia menšinových nosičov sa výrazne mení s rôznymi vonkajšie vplyvy- tepelné, mechanické, optické a pod.. Toto je základom princípu činnosti rôznych typov snímačov: teploty, tlaku, ionizujúceho žiarenia atď. p-n- prechody sa používajú aj na premenu svetelnej energie na elektrickú energiu v solárnych paneloch.
Elektrón-dierové prechody nie sú len základom rôznych druhov polovodičových diód, ale sú súčasťou aj zložitejších polovodičových súčiastok - tranzistorov, tyristorov atď. Injekcia a následná rekombinácia menšinových nosičov v p-n- križovatky sa používajú v svetelných diódach a vstrekovacích laseroch.
Na vytvorenie rôznych polovodičových zariadení používaných v elektronických zariadeniach sa používajú kryštálové štruktúry pozostávajúce zo striedajúcich sa oblastí polovodičov. P- a R-typ. V závislosti od typu polovodičového zariadenia môže byť počet oblastí s rôznymi typmi vodivosti dva alebo viac. Základom každého polovodičového zariadenia sú prechody elektrón-diera.
prechod elektrón-diera(alebo krátko p-n-križovatka) nazývaná tenká vrstva medzi dvoma oblasťami polovodičového kryštálu, z ktorých jedna má elektronickú a druhá dierovú elektrickú vodivosť.
Technologický proces Vytvorenie prechodu elektrón-diera môže byť rôzne: fúzia, difúzia jednej látky do druhej, epitaxia (orientovaný rast jedného kryštálu na povrchu druhého) atď. Podľa návrhu môžu byť prechody elektrón-diera symetrické (p p = p p) a asymetrické (p p >> p p alebo p p << p p, pričom koncentrácie hlavných nosičov sa líšia 100-1000 krát), ostré a hladké, rovinné a bodové atď. Avšak pre všetky typy prechodov je hlavnou vlastnosťou asymetrická elektrická vodivosť, pri ktorej kryštálom prechádza prúd v jednom smere, a neprechádza ho v druhom .
Zariadenie polovodičového kryštálu s prechodom elektrón-diera je znázornené na obrázku 1.5 . Jedna časť tohto kryštálu je dopovaná (obohatená) donorovou nečistotou a má elektronickú vodivosť ( P-región). Druhá časť je dopovaná akceptorovou nečistotou a má dierovú vodivosť ( R-región). Okrem väčšinových nosičov v oboch častiach kryštálu existuje malá koncentrácia menšinových nosičov (resp. diery v P-región a elektróny v R- oblasti).
Hneď po vytvorení R-P-prechod v neprítomnosti vonkajšieho elektrického poľa, elektróny z P- oblasti majú tendenciu prenikať do R- oblasť, kde je koncentrácia elektrónov oveľa nižšia. Rovnako aj diery R- oblasti sa presúvajú P-región. V dôsledku prichádzajúceho pohybu opačných nábojov vzniká tzv difúzia prúd R-P-prechod. Elektróny prenesené do R-región, rekombinovať s dierami, čo má za následok R- oblasť blízko rozhrania medzi dvoma typmi polovodičov, objavia sa negatívne nabité nepohyblivé ióny akceptorovej nečistoty. Na druhej strane únik elektrónov z P-oblasť vedie k vzhľadu v časti blízkeho kontaktu P-oblasti nekompenzovaných kladne nabitých nepohyblivých iónov donorovej nečistoty.
Obrázok 1.5 - Zjednodušená štruktúra r-p-prechod
Súčasne s pohybom elektrónov, od R-oblasti v P-región, pozoruje sa difúzny pohyb otvorov. Tento proces je sprevádzaný tvorbou rovnakých nepohyblivých kladných a záporných iónov v blízkosti rozhrania medzi dvoma typmi polovodičov v P-regióny a R- oblasti.
V oblasti sa vytvára dvojitá vrstva stacionárnych elektrických nábojov (iónov). R-P-prechodný objemový priestorový náboj, ktorého prítomnosť vedie k vzniku vnútorného elektrického poľa (na obrázku 1.5). Vektor tohto poľa je nasmerovaný tak, že bráni ďalšiemu difúznemu pohybu hlavných nosičov náboja. Preto po krátkom čase r-p- prechodom je nastolená dynamická rovnováha, stáva sa elektricky neutrálny a cez prúd r-p-prechod - nula.
Potenciálny rozdiel tvorený hraničnými nábojmi sa nazýva rozdiel kontaktného potenciálu r Komu(potenciálna bariéra), ktoré dopravcovia nedokážu prekonať bez „pomoci zvonka“. Avšak vznikajúci v R-P-prechod, pole nebráni pohybu menšinových dopravcov cez prechod, keďže pre nich to bude zrýchlenie. Neprimárne médiá vytvárajú unášanie prúd R-P-prechod.
Rozloženie hustoty priestorového náboja r v R-P-prechod v neprítomnosti vonkajšieho elektrického poľa je znázornený na obrázku 1.5 .
R-p- križovatka je polovodičová vrstva s nízkou koncentráciou mobilných nosičov náboja ( vyčerpaná vrstva). Táto vrstva má zvýšený elektrický odpor. Keďže koncentrácia väčšinových nosičov náboja v oblastiach polovodiča je rôzna, šírka ochudobnenej vrstvy v R- a P- regióny budú tiež odlišné (v regióne s nižšou koncentráciou hlavných nositeľov bude širší).
Rozdiel kontaktného potenciálu r Komu na r-p- prechod závisí od koncentrácie nečistôt v oblastiach polovodiča a je určený výrazom:
kde je teplotný potenciál;
n i- koncentrácia nosičov náboja v nedopovanom polovodiči;
k » 1,38 × 10 -23 J/K - Boltzmannova konštanta;
T- absolútna teplota, K;
q» 1,6×10 -19 C - elektrónový náboj.
Pri normálnej teplote ( T= 300 K) j T» 26 mV. Rozdiel kontaktného potenciálu pre germánium je 0,2-0,3 V a pre kremík - 0,6-0,7 V.
Výšku potenciálnej bariéry je možné zmeniť privedením externého napätia na r-p- prechod. Ak sa vytvorí externé napätie R-P- prechodové pole, ktorého vektor intenzity sa zhoduje v smere s vektorom intenzity vnútorného poľa (obrázok 1.6, a), potom sa výška potenciálovej bariéry zvyšuje, s obrátenou polaritou aplikovaného napätia výška potenciálovej bariéry klesá (obrázok 1.6, b). Ak je polarita poľa vytvoreného priloženým vonkajším napätím opačná ako polarita jeho vlastného (vnútorného) poľa a vonkajšie napätie sa rovná rozdielu kontaktných potenciálov, potom potenciálová bariéra úplne zmizne.
Obrázok 1.6 - Predpätie vpred a vzad r-p-prechod
Ak aplikované napätie zníži potenciálnu bariéru, potom sa nazýva priamy, a ak sa zvýši, potom obrátene.
Spätný prúd ( i arr) v R-P-prechod je spôsobený menšinovými nosičmi jednej z oblastí, ktoré sa unášaním v elektrickom poli oblasti vesmírneho náboja dostanú do oblasti, kde sú už väčšinovými nosičmi. Pretože koncentrácia majoritných nosičov výrazne prevyšuje koncentráciu minoritných nosičov, objavenie sa nevýznamného dodatočného množstva majoritných nosičov prakticky nezmení rovnovážny stav polovodiča. Spätný prúd teda závisí len od počtu menšinových nosičov, ktoré sa objavujú na hraniciach oblasti priestorového náboja. Jeho hraničnú hodnotu (označujeme ja T) sa volajú spätný saturačný prúd alebo tepelný prúd .
Vonkajšie aplikované napätie určuje rýchlosť, ktorou sa tieto nosiče pohybujú z jednej oblasti do druhej, ale nie počet nosičov, ktoré prejdú prechodom za jednotku času. Preto spätný prúd cez r-p- prechod je vodivý prúd a nezávisí od výšky potenciálovej bariéry, t.j. zostáva konštantná pri zmene spätného napätia na prechode.
Pre zaujatosť dopredu p-p- objaví sa prechod difúziaprúd spôsobené difúziou hlavných nosičov prekonávajúc potenciálnu bariéru. Po absolvovaní r-p-prechod, tieto nosiče vstupujú do oblasti polovodiča, pre ktorú sú menšinovými nosičmi. V tomto prípade môže koncentrácia minoritných nosičov výrazne vzrásť v porovnaní s rovnovážnou koncentráciou. Takýto jav sa nazýva injekciou dopravcov.
Keď teda prechodom z elektronickej oblasti do oblasti dier preteká jednosmerný prúd, vstrekovanie elektrónov a z oblasti dier do oblasti elektrónov bude dierová injekcia.
Funkcie zariadenia R-P-prechod a procesy v ňom prebiehajúce boli uvažované skôr.
heterojunkcia nazývaná prechodová vrstva, v ktorej existuje difúzne elektrické pole medzi dvoma polovodičmi rôzneho chemického zloženia. V tomto prípade môžu byť vodivosti dvoch polovodičov tvoriacich heteroprechod rôzne alebo rovnaké. Okrem toho môže byť samotný prechod rovnanie alebo ohmický.
ohmický sa nazýva prechod, ktorého elektrický odpor nezávisí od smeru prúdu cez neho.
Obrázok 1.10 ukazuje štruktúry dvoch typov heteroprechodov (obrázok 1.10, a, b), ako aj ohmický prechod na kontakte polovodičov s jedným typom elektrickej vodivosti (obrázok 1.10, v).
a B C
Obrázok 1.10 - Varianty elektrických prechodov v polovodičových kryštáloch
Obrázok 1.11 znázorňuje štruktúry polovodičových diód s usmerňovacím elektrickým prechodom v tvare r-p- prechod (obrázok 1.11, a) a na Schottkyho kontakte (obrázok 1.11, b).
a b
Obrázok 1.11 - Štruktúry polovodičových diód na základe
r-p- prechod ( a) a Schottkyho prechod ( b)
list H na obrázku 1.11 sú označené neopravujúce(ohmické) prechody a písmeno V - rovnanie elektrické prechody. list M označená kovová vrstva.
Činnosť väčšiny polovodičových diód je založená na procesoch vyskytujúcich sa v r-p- križovatka a v skutočných diódach spravidla asymetrické r-p-prechody. Pri takýchto prechodoch má jedna z oblastí kryštálu (oblasť s vyššou koncentráciou majoritných nosičov) pomerne nízky odpor (spravidla je to R-región) a druhý - vysokoodolný.
Obrázok 1.12 ukazuje rozloženie hlavných nosičov a oblasť r-p-prechod v kryštáli polovodičovej diódy.
Obrázok 1.12 - Rozloženie nosičov náboja v kryštáli polovodičovej diódy
Záver z R-domény diódy sa nazývajú anóda, ale od P- oblasti - katóda. Konvenčné grafické označenie (UGO) diódy má vo všeobecnom prípade tvar znázornený na obrázku 1.13.
Obrázok 1.13 - UGO dióda
Ak je kladný pól zdroja napätia pripojený k anóde diódy a záporný pól je pripojený ku katóde, potom sa aplikované napätie nazýva priamy, inak - obrátene. Prúd cez diódu pri Forward Bias r-p-prechod je takmer úplne určený prietokom hlavných dopravcov oblasť s nízkym odporom. Preto sa nazýva žiarič. V dôsledku vyššej koncentrácie nosiča v oblasti s nízkym odporom je šírka r-p-prechod v ňom sa ukazuje byť menší ako vo vysokoodporovom. Ak je rozdiel v koncentrácii majoritných nosičov veľký, potom r-p- križovatka sa bude nachádzať takmer celá v oblasti vysokého odporu, ktorá je tzv základne.
Prúdovo-napäťová charakteristika polovodičovej diódy je vo všeobecnom prípade určená I–V charakteristikou r-p-prechod. Obrázok 1.14 ukazuje I-V charakteristiku diódy v porovnaní s I-V charakteristikou konvenčnej (analyzovanej skôr) r-p-prechod. Rozdiely v charakteristikách sú spôsobené tým, že pri analýze vlastností r-p-prechod nezohľadňoval vlastnosti štruktúry kryštálu diódy, odpor polovodičových vrstiev, šírku prechodu.
Obrázok 1.14 - Celkový pohľad na I-V charakteristiky diódy
Ak sa na diódu aplikuje dopredné napätie, ktoré presahuje rozdiel kontaktného potenciálu (najmä pre germániovú diódu y k \u003d 0,2-0,3 V, pre kremík - y k \u003d 0,6-0,7 V), potom sa dióda otvorí a prejde priamo prúdu (priama vetva I–V charakteristiky, obrázok 1.14). Zároveň je jej odpor nepatrný (desiatky až stovky ohmov) a úbytok napätia na dióde je v desatinách voltu.
Keď sa použije spätné napätie v absolútnej hodnote menej U arr max dióda je zablokovaná a preteká ňou zanedbateľný spätný prúd som arr(reverzná vetva CVC, obrázok 1.14). Ak spätné napätie prekročí hodnotu U arr max, potom dôjde k poruche r-p- diódový prechod (prvý elektrický as ďalším zvýšením napätia tepelný), pri ktorom sa spätný prúd prudko zvyšuje. V prípade tepelného zlyhania dióda zlyhá („vyhorí“).
V závislosti od spôsobu výroby R-P-prechod rozlišovať bod, plávajúce, zvárané a difúzia diódy. Bodové diódy (obrázok 1.15, a) tuhá zahrotená ihla vyrobená zo zliatiny volfrámu a molybdénu sa pritlačí na predtým očistený povrch polovodičového kryštálu vodivosti elektroniky. Po utesnení zostavenej diódy cez ňu prechádzajú elektrické impulzy s vysokým výkonom. Pôsobením týchto impulzov sa oblasť blízkeho kontaktu polovodiča silne zahrieva a malý (5 až 40 μm) R-región.
Obrázok 1.15 - Spôsoby získavania r-p-prechod
V legovaných a zváraných diódach (obrázok 1.15, b, v) R-P- prechod sa získa pomocou tenkého drôtu obsahujúceho atómy akceptorovej nečistoty, keď je tavený alebo zvarený s polovodičovým kryštálom P-typ.
Difúzne diódy využívajú metódu difúzie donorových alebo akceptorových nečistôt do polovodičového kryštálu s opačným typom elektrickej vodivosti. Difúzne atómy menia typ elektrickej vodivosti malej časti kryštálu, ktorá vytvára R-P-prechod. Na získanie nízkej kapacity v uvažovanej forme diód sa po difúzii uskutoční leptanie povrchových vrstiev polovodiča, po ktorom R-P- prechod je zachovaný na veľmi malej ploche, ktorá vyzerá ako stôl, týčiaci sa nad zvyškom kryštálu (obrázok 1.15, G).
Táto polovodičová štruktúra je tzv mezaštruktúra(mezadifúzne diódy). Ďalším typom difúznych diód sú rovinný a epitaxná rovinná zariadenia (obrázok 1.15, d), v ktorom sa difúzia nečistôt uskutočňuje cez špeciálne „okná“ v ochrannom oxidovom filme (napríklad z oxidu kremičitého SiO 2). Okrem malých hodnôt bariérovej kapacity v difúznych diódach je možné výrazne znížiť životnosť nerovnovážnych nosičov náboja dodatočnou difúziou zlata.
Čísla na obrázku 1.15 označujú: 1 - R-P-prechod; 2 - krištáľ; 3 - ohmický kontakt.
Na kvantitatívnu charakterizáciu diód sa používajú rôzne parametre, ktorých názvy a počet závisia od typu diód. Niektoré z parametrov sa používajú pri charakterizácii diód väčšiny podtried.
Patria sem najmä:
I pr max- maximálny povolený jednosmerný prúd;
U pr- priame dopredné napätie zodpovedajúce danému prúdu;
U arr max- maximálne prípustné spätné napätie diódy;
som max- maximálny povolený jednosmerný spätný prúd diódy;
r rozdiel- rozdielový odpor diódy (pre daný režim činnosti).
V súčasnosti existujú diódy navrhnuté tak, aby fungovali vo veľmi širokom rozsahu prúdov a napätí. Pre najvýkonnejšie diódy I pr max je kiloampér a U arr max- kilovolty.
Polovodičové diódy sú veľmi početné a jedným z hlavných klasifikačných znakov je ich účel, ktorý je spojený s využitím určitého javu v R-n-prechod.
prvá skupina tvoria usmerňovacie diódy, pre ktoré je hlavný ventilový efekt (veľká hodnota pomeru dopredného a spätného prúdu), ale neexistujú prísne požiadavky na časové a frekvenčné charakteristiky.
V súčasnosti sú najpoužívanejšie kremíkové usmerňovacie diódy, ktoré majú nasledujúce výhody:
Približne o dva rády menšie (v porovnaní s germániom) spätné prúdy pri rovnakom napätí;
Vysoká hodnota prípustného spätného napätia, ktorá dosahuje 1000-1500 V, zatiaľ čo pre germániové diódy je v rozmedzí 100-400 V;
Výkon kremíkových diód sa udržiava pri teplotách od -60 do +150 ° C, germánia - od -60 do +85 ° C.
Je však výhodnejšie použiť germániové diódy v nízkonapäťových usmerňovačoch, pretože ich odolnosť proti predpätiu R-P-prechod je 1,5-2 krát menší ako u kremíkových, pri rovnakom zaťažovacom prúde, čo znižuje výkon rozptýlený vo vnútri diódy.
Podľa hodnoty usmerneného prúdu sa usmerňovacie diódy delia na diódy malý(I pr < 0,3 А), stredná(0,3 A< I pr < 10 А) и veľký (I pr > 10 A) moc.
Druhá skupina diódy - vysoká frekvencia a impulz. Využívajú aj ventilový efekt, ale ide o nízkovýkonové zariadenia pracujúce na vysokých frekvenciách (v detektorových, zmiešavacích stupňoch) alebo vo vysokorýchlostných impulzných zariadeniach. Pre diódy týchto podtried sú dôležitejšie parametre, ktoré charakterizujú ich rýchlosť, najmä kapacita diódy (zvyčajne desatiny pF), čas na vytvorenie priamych a spätných odporov (stotiny mikrosekúnd), frekvencia bez redukcie režimu .
Podmienené grafické označenie na istine elektrické schémy usmerňovacej, vysokofrekvenčnej a pulznej diódy je rovnaký a zodpovedá tomu, ktorý je znázornený na obrázku 1.13.
v diódach štvrtá skupina používať kapacitné vlastnosti R-P-prechod. Kvôli R-P- prechod je regiónu, nosič vyčerpaný, potom to možno považovať za druh plochý kondenzátor, ktorého kapacita je určená šírkou R-P-prechod. Ak sa na diódu privedie spätné napätie a zmení sa jej hodnota, potom šírka R-P-prechod sa tiež zmení, čo je ekvivalentné zmene jeho kapacity. Takáto vlastnosť R-P-prechod umožňuje použiť polovodičovú diódu ako zariadenie s elektricky riadenou kapacitou - varicap. Kapacitno-napäťová charakteristika a UGO varikapu sú znázornené na obrázku 1.17.
Okrem vyššie uvedených diód sa široko používajú elektronické zariadenia Schottkyho diódy(Obrázok 1.18, a) a v špeciálnych prípadoch - tunelové diódy(Obrázok 1.18, b).
Obrázok 1.17 - UGO a kapacitne-napäťová charakteristika varikapu
a b
Obrázok 1.18 - UGO a prúdovo-napäťové charakteristiky Schottkyho diódy ( a) a tunelová dióda ( b)
hlavným prvkom Schottkyho diódy je elektronický prechod kov - polovodič s nelineárnym CVC. Vlastnosti takýchto diód sú v mnohých ohľadoch podobné vlastnostiam diód s asymetrickými R-P-prechody. Hlavný rozdiel medzi Schottkyho diódami a diódami založenými na prechode elektrón-diera je v tom, že v nich je prúd tvorený väčšinovými nosičmi náboja a nie je spojený so vstrekovaním menších nosičov náboja a ich absorpciou, čo poskytuje oveľa lepšie frekvenčné charakteristiky takéto diódy a zvyšuje ich výkon v impulzných zariadeniach.
Navyše odpor Schottkyho bariéry pri priepustnom napätí je menší ako priepustný odpor R-n-prechod teda priame vetvy CVC usmerňovacej diódy so Schottkyho bariérou a diódy s. r-p- prechod je iný. Schottkyho diódy sú široko používané ako prvky digitálnych obvodov zlepšiť ich výkon.
tunelová dióda- zaujíma zvláštne miesto medzi polovodičovými diódami vďaka svojej vlastnej kladnej napäťovej spätnej väzbe a dobrým dynamickým vlastnostiam. Jeho CVC (obrázok 1.18, b) má sekciu so záporným rozdielovým odporom (sek 1 -2 ). To umožňuje použiť tunelovú diódu ako aktívny prvok v zosilňovačoch a vlastných oscilátoroch v mikrovlnnej oblasti.
Špeciálna skupina je vyžarovanie diódy a fotodiódy .
emitujúca dióda(UGO je znázornené na obrázku 1.19, a) je polovodičová dióda emitujúca pri pôsobení aplikovaného napätia z oblasti R-P-prechod energetické kvantá. Žiarenie je vyžarované cez priehľadnú sklenenú platňu umiestnenú v tele diódy.
a b
Obrázok 1.19 - UGO emitujúca dióda ( a) a fotodióda ( b)
Podľa radiačnej charakteristiky emitujúce diódy sú rozdelené do dvoch skupín:
Diódy so žiarením vo viditeľnej oblasti spektra, tzv LED diódy;
Diódy so žiarením v infračervenej oblasti spektra, tzv IR diódy.
Princíp činnosti oboch skupín diód je rovnaký a je založený na spontánna rekombinácia nosičov náboja s jednosmerným prúdom cez usmerňovací elektrický spoj. Je známe, že rekombináciu nosičov náboja sprevádza uvoľnenie kvanta energie. Frekvenčné spektrum druhého je určené typom pôvodného polovodičového materiálu. Hlavnými materiálmi na výrobu LED diód sú fosfid gália, fosfid arzenidu gália, silikónový karbid. Väčšina energie uvoľnenej v týchto materiáloch počas rekombinácie nosičov náboja je termálna energia . V najlepšom prípade predstavuje podiel energie viditeľného žiarenia (10 – 20) %. Preto je účinnosť LED diód nízka.
LED sa používajú ako svetelné indikátory a IR diódy sa používajú ako zdroje žiarenia optoelektronické zariadenia(najmä v diaľkových ovládačoch domácich spotrebičov).
Fotodióda(UGO je znázornené na obrázku 1.19, b) - polovodičové zariadenie, ktorého princíp činnosti je založený na použití vnútorný fotoelektrický efekt - generácie v polovodiči pôsobením svetelných kvánt(fotóny) bezplatných poskytovateľov poplatkov.
Použitie fotodiód na premenu svetla(alebo infračervené) žiarenie v elektriny (napríklad v zariadeniach na diaľkové ovládanie domácich spotrebičov).
Klasifikácia moderných polovodičových súčiastok podľa ich účelu, fyzikálnych vlastností, základných elektrických parametrov, konštrukčných a technologických vlastností, typu pôvodného polovodičového materiálu sa odráža v notačný systém ich typy.
Systém označovania moderných polovodičových diód je stanovený priemyselným štandardom OST 11 336.919-81 a je založený na množstve klasifikačných znakov.
Systém označovania je založený na sedemmiestnom alfanumerickom kóde, ktorého prvý prvok (písmeno - pre zariadenia so širokým rozsahom použitia, číslo - pre zariadenia používané v zariadeniach špeciálny účel) označuje pôvodný polovodičový materiál, na základe ktorého je zariadenie vyrobené. Druhý prvok označenia - písmeno, definuje podtriedu zariadení, tretí prvok - číslo (alebo písmeno pre optočleny), definuje hlavnú funkčnosť zariadenia. Štvrtý prvok je dvojciferné číslo označujúce sériové číslo vývoj technologického typu zariadenia, piaty prvok - písmeno, podmienečne určuje klasifikáciu (triedenie podľa parametrov) zariadení vyrobených pomocou jedinej technológie.
napríklad:
KD102A (2D102A) - kremíková usmerňovacia dióda s priemerným usmerneným prúdom menším ako 0,3 A (podľa referenčnej knihy - nie viac ako 100 mA), vývojové číslo 2, skupina A;
AL103B (3L103B) - IR dióda vyžarujúca arzenid gália, vývojové číslo 3, skupina B;
KS156A (2S156A) - kremíková zenerova dióda s výkonom nie väčším ako 0,3 W so stabilizačným napätím 5,6 V (vývojové číslo 56), skupina A.
Pri analýze obvodov elektronických zariadení na počítači sú všetky prvky obvodu vrátane diód nahradené ich matematickými modelmi. Matematický model diódy je súbor matematických výrazov, ktoré popisujú prúdy a napätia v ekvivalentnom obvode (ekvivalentnom obvode) diódy. Ako diódový ekvivalentný obvod môžete použiť Ebers-Mollov elektrický model pre spojenie s jedným elektrónom a dierou, znázornené na obrázku 1.20.
Obrázok 1.20 - Ekvivalentný obvod polovodičovej diódy
Konštantný odpor R d zahrnuté v obvode, aby sa zohľadnil zvodový prúd. Kapacita C d predstavuje súčet bariérových a difúznych kapacít spoja, r- objemový odpor základného telesa v závislosti od geometrických rozmerov a stupňa dotovania polovodiča. riadené prechodové napätie a n aktuálny zdroj ja d modeluje statickú I–V charakteristiku diódy.
Prúd riadeného zdroja prúdu sa riadi zákonom:
kde ja T- saturačný prúd (spätný prúd) R-P-prechod;
A a M- empirické koeficienty;
T je absolútna teplota.
Číselné hodnoty koeficientov A a M zvyčajne zistené experimentálne. Na tento účel môžete použiť I–V charakteristiky diód uvedené v referenčnej literatúre alebo získané experimentálne. Pre každý typ diódy, v závislosti od jej hlavných charakteristík, výrobnej technológie atď., budú tieto koeficienty odlišné.
Navrhovaný model dobre aproximuje CVC diódy, s výnimkou oblasti, kde dochádza k elektrickému prierazu (obrázok 1.21). Spravidla je však režim poruchy pre väčšinu diód (okrem zenerových diód) nefunkčný.
Obrázok 1.21 - Približné hodnoty IV charakteristiky diódy
Elektrický ekvivalentný obvod diódy, znázornený na obrázku 1.20, je vo všeobecnosti neúplný. V elektrickom modeli (a následne pri zostavovaní matematický model) diskrétnej diódy je potrebné vziať do úvahy aj prítomnosť olovených indukčností L 1 a L 2, kapacita tela C str a kontakty C až(Obrázok 1.22) . Takýto model je tzv globálny model diskrétna dióda.
Obrázok 1.22 - Globálny model diódy
Polovodičové diódy
Prechod elektrón-diera je tenká vrstva medzi dvoma časťami polovodičového kryštálu, v ktorej jedna časť má elektrickú a druhá dierovú elektrickú vodivosť.
Technologický postup vytvorenia spojenia elektrón-diera môže byť rôzny: fúzia (zliatinové diódy), difúzia jednej látky do druhej (difúzne diódy), epitaxia - orientovaný rast jedného kryštálu na povrchu druhého (epitaxiálne diódy) atď. Podľa návrhu môžu byť prechody elektrón-diera symetrické a asymetrické, ostré a hladké, rovinné a bodové atď. Avšak pre všetky typy prechodov je hlavnou vlastnosťou asymetrická elektrická vodivosť, pri ktorej kryštálom prechádza prúd v jednom smere a neprejde to v druhom.
Zariadenie prechodu elektrón-diera je znázornené na obr. 2.1a. Jedna časť tohto prechodu je dopovaná donorovou nečistotou a má elektronickú vodivosť (oblasť N). Druhá časť, dopovaná akceptorovou nečistotou, má dierovú vodivosť (P-oblasť). Koncentrácia elektrónov v jednej časti a koncentrácia dier v druhej sa výrazne líšia. Obe časti navyše obsahujú malú koncentráciu menšinových nosičov.
Elektróny v N-oblasti majú tendenciu prenikať do P-oblasti, kde je koncentrácia elektrónov oveľa nižšia. Podobne sa diery presúvajú z oblasti P do oblasti N. 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. V dôsledku toho sa na hranici a pri uzatváraní vytvorí dynamická rovnováha N- a P-oblasti netečie v obvode žiadny prúd. Rozloženie hustoty priestorového náboja v prechode je znázornené na obr. 2.1 b.
V tomto prípade vo vnútri kryštálu na rozhraní vzniká vlastné elektrické pole E eigen, ktorého smer je znázornený na obr. 2.1. Intenzita tohto poľa je maximálna na rozhraní, kde dochádza k prudkej zmene znamienka priestorového náboja. V určitej vzdialenosti od rozhrania nie je žiadny priestorový náboj a polovodič je neutrálny.
Výška potenciálovej bariéry na p-n prechode je určená rozdielom kontaktných potenciálov N- a P-regióny. Rozdiel kontaktného potenciálu zase závisí od koncentrácie nečistôt v týchto oblastiach:
kde j T = kT/q - tepelný potenciál,
N n a R p- koncentrácia elektrónov a dier v n - a p - oblastiach,
n i je koncentrácia nosičov náboja v nedopovanom polovodiči.
Rozdiel kontaktných potenciálov pre germánium je 0,6 ... 0,7 V a pre kremík - 0,9 ... 1,2 V. Výšku potenciálovej bariéry je možné zmeniť privedením externého napätia na r-p- prechod. Ak vonkajšie napätie vytvorí v p-n prechode pole, ktoré sa zhoduje s vnútorným, potom sa výška potenciálovej bariéry zväčšuje, s obrátenou polaritou privedeného napätia výška potenciálovej bariéry klesá.
Ryža. 2.1. Rezanie p-n- prechod a rozloženie vesmírneho náboja v ňom
Ak sa aplikované napätie rovná rozdielu kontaktného potenciálu, potom potenciálna bariéra úplne zmizne
Volt-ampér p-n charakteristika-prechod je závislosť prúdu cez prechod, keď sa na ňom zmení hodnota a polarita privedeného napätia. Ak aplikované napätie znižuje potenciálnu bariéru, potom sa nazýva priame a ak ho zvyšuje, nazýva sa to reverzné.
Aplikácia priameho a spätného napätia na p-n prechod je znázornená na obr. 2.2.
Spätný prúd v p-n prechode je spôsobený menšinovými nosičmi jednej z oblastí, ktoré driftovaním v elektrickom poli oblasti priestorového náboja spadajú do oblasti, kde sú už väčšinovými nosičmi. Pretože koncentrácia majoritných nosičov výrazne prevyšuje koncentráciu minoritných nosičov, objavenie sa nevýznamného dodatočného množstva majoritných nosičov prakticky nezmení rovnovážny stav polovodiča. Spätný prúd teda závisí len od počtu menšinových nosičov, ktoré sa objavujú na hraniciach oblasti priestorového náboja. Vonkajšie aplikované napätie určuje rýchlosť, ktorou sa tieto nosiče pohybujú z jednej oblasti do druhej, ale nie počet nosičov, ktoré prejdú prechodom za jednotku času. Preto spätný prúd cez prechod je vodivý prúd a nezávisí od výšky potenciálovej bariéry, t.j. zostáva konštantný, keď sa zmení spätné napätie na prechode.
Tento prúd sa nazýva saturačný prúd a označuje sa
Som \u003d I S.
Pri predpätí p-n prechodu sa objavuje (difúzny) prúd spôsobený difúziou väčšinových nosičov, ktoré prekonávajú potenciálnu bariéru.
Po prechode cez p-n prechod sa tieto nosiče dostanú do oblasti polovodiča, pre ktorú sú vedľajšími nosičmi. V tomto prípade môže koncentrácia minoritných nosičov výrazne vzrásť v porovnaní s rovnovážnou koncentráciou. Tento jav sa nazýva injekcia nosiča.
Keď teda dopredný prúd preteká cez spoj z oblasti elektrónov do oblasti dier, elektróny sa vstreknú a diery sa vstreknú z oblasti dier. Difúzny prúd závisí od výšky potenciálnej bariéry a zvyšuje sa exponenciálne, keď klesá:
kde U- napätie na p-n-prechode.
Obr. 2 Aplikácia spätného (a) a jednosmerného (b) napätia na p-n prechod
Okrem difúzneho prúdu obsahuje jednosmerný prúd vodivý prúd tečúci v opačnom smere, takže celkový prúd s predpätím p-n prechodu sa bude rovnať rozdielu medzi difúznym prúdom (2.2) a vodivým prúdom:
Rovnica (2.3) sa nazýva Ebers-Mollova rovnica a prúdovo-napäťová charakteristika p-n prechodu jej zodpovedajúca je znázornená na obr. 2.3. Keďže pri T \u003d 300K je tepelný potenciál j t \u003d 25mV, potom už pri U \u003d 0,1 V môžeme predpokladať, že
Rozdielový odpor p-n prechodu možno určiť pomocou vzorca (2.3):
kam sa dostaneme
Takže napríklad pri prúde I \u003d 1A a j T \u003d 25 mV je rozdielový odpor prechodu 25 mOhm.
Hraničná hodnota napätia na p-n prechode s predpätím nepresahuje rozdiel kontaktných potenciálov y Komu. Spätné napätie je obmedzené rozpadom p-n prechodu. K rozpadu p-n križovatky dochádza v dôsledku lavínového premnoženia menšinových nosičov a nazýva sa lavínový rozpad. Pri lavínovom rozpade p-n prechodu je prúd cez prechod obmedzený iba odporom napájania p-n-prechod elektrický obvod (obr. 2.3).
polovodič p-n-prechod, má kapacitu, ktorá je všeobecne definovaná ako pomer prírastku náboja na prechode k prírastku úbytku napätia na ňom, t.j.
C=dq/du.
Ryža. 2.3. Voltampérová charakteristika pn prechodu
Kapacita prechodu závisí od hodnoty a polarity externého použitého napätia. Pri spätnom napätí na križovatke sa táto kapacita nazýva bariérová kapacita a je určená vzorcom
kde y K - rozdiel kontaktného potenciálu,
U- spätné napätie na križovatke,
C 6ar (0) - hodnota kapacity bariéry pri U=0,čo závisí od oblasti p-n prechodu a vlastností polovodičového kryštálu.
Závislosť kapacity bariéry od použitého napätia je znázornená na obr. 2.4. Bariérová kapacita teoreticky existuje aj s dopredným napätím na p-n prechode, je však posunutá nízkym diferenciálnym odporom r diff.
Ryža. 2.4 Závislosť kapacity bariéry od napätia na p-n prechode
Pri doprednom predpätom p-n prechode má difúzna kapacita oveľa väčší účinok, ktorý závisí od hodnoty dopredného prúdu I a životnosti menšinových nosičov t R. Táto kapacita nesúvisí s predpätím, ale poskytuje rovnaký fázový posun medzi napätím a prúdom ako normálna kapacita. Hodnota difúznej kapacity môže byť určená vzorcom
Celková kapacita spoja pri predpätí je určená súčtom bariérovej a difúznej kapacity
Keď je spojenie reverzne predpäté, neexistuje žiadna difúzna kapacita a celková kapacita pozostáva iba z kapacity bariéry.
polovodičová dióda Nazývajú zariadenie, ktoré má dva výstupy a obsahuje jeden (alebo viac) p-n prechodov. 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 p-n prechodu; jav prierazu, kapacita bariéry, prítomnosť oblastí s negatívnym odporom atď.
Štrukturálne usmerňovacie diódy sa delia na rovinné a bodové a podľa technológie výroby na zliatinové, difúzne a epitaxné. Planárne diódy sa vzhľadom na veľkú plochu križovatky ^-n používajú na usmernenie veľkých 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 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.
Pri veľkom prúde cez p-n prechod výrazne klesá napätie v objeme polovodiča a nemožno ho zanedbať. Ak vezmeme do úvahy výraz (2.4), charakteristika prúdového napätia usmerňovacej diódy má tvar
kde R- odpor objemu polovodičového kryštálu, ktorý sa nazýva sériový odpor.
Konvenčné grafické označenie polovodičovej diódy je na obr. 2.5a a jeho štruktúra na obr. 2.5 b. Dióda y elektróda pripojená k oblasti R, sa nazýva anóda (analogicky s elektrovákuovou diódou) a elektróda je pripojená k tejto oblasti N,- katóda. Statická prúdovo-napäťová charakteristika diódy je znázornená na obr. 2.5 v.
Ryža. 2.5. Symbol polovodičovej diódy (a), jej štruktúra (b) a charakteristika prúdového napätia (c)
Výkonové diódy sa zvyčajne vyznačujú súborom statických a dynamických parametrov. Medzi statické parametre diódy patria:
Pokles napätia U np na dióde pri určitej hodnote jednosmerného prúdu;
Spätný prúd I o6r pri určitej hodnote spätného napätia;
Priemerná hodnota dopredného prúdu I pr cf;
Impulzné spätné napätie U o6ri.
Dynamické parametre diódy zahŕňajú jej časové alebo frekvenčné charakteristiky. Tieto možnosti zahŕňajú:
Doba zotavenia t reverzné spätné napätie;
Doba nábehu jednosmerného prúdu I nar;
Obmedzenie frekvencie bez redukcie režimov diód f max.
Statické parametre je možné nastaviť podľa prúdovo-napäťovej charakteristiky diódy, ktorá je znázornená na obr. 2.5 v. Typické hodnoty statických parametrov výkonových diód sú uvedené v tabuľke. 2.1.
Tabuľka 2.1 Statické parametre výkonových usmerňovacích diód
Obrátený čas zotavenia dióda t vost je hlavný parameter usmerňovacích diód, charakterizujúci ich zotrvačné vlastnosti. Určuje sa prepnutím diódy z daného priepustného prúdu I pr na dané spätné napätie U o6r. Grafy takéhoto prepínania sú znázornené na obr. 26 b. Skúšobná schéma znázornená na obr. 26 b, je polvlnový usmerňovač pracujúci na odporovej záťaži R H a napájaný zdrojom napätia pravouhlého tvaru.
Napätie na vstupe obvodu v čase? = 0 skočí na kladnú hodnotu U m . V dôsledku zotrvačnosti difúzneho procesu sa prúd v dióde neobjaví okamžite, ale časom sa zvyšuje t m . Spolu so zvýšením prúdu v dióde klesá napätie na dióde, ktoré sa po 4a P rovná £ / vr. V danom čase t t v obvode je vytvorený stacionárny režim, v ktorom je prúd diódy i=Is~Um/RB.
Tento stav pretrváva až do času t2, pri prepólovaní napájacieho napätia. Náboje nahromadené na hranici ^-n-prechodu však držia diódu nejaký čas v otvorenom stave, ale smer prúdu v dióde sa zmení na správny. V podstate dochádza k rozptylu nábojov na hranici5 "(rchmherego (t.j. vybitie ekvivalentnej kapacity). Po uplynutí časového intervalu rozptylu /, „
začína proces vypínania diódy, t.j. proces obnovy jej blokovacích vlastností,
Kým< 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени a po ktorej sa dióda vypne. Do tejto doby sa prúd v dióde rovná 1^, a napätie dosiahne hodnotu - U m . Teda čas t^ možno počítať od prechodu U a cez nulu, kým prúd diódy nedosiahne hodnotu 1^.
Zváženie procesov zapínania a vypínania usmerňovacej diódy ukazuje, že nejde o ideálny ventil a za určitých podmienok má vodivosť opačný smer. Čas rozpúšťania menšinových nosičov v /a-n-prechode môže byť určený vzorcom
kde x str je životnosť menšinových nosičov.
Čas obnovy spätného napätia na dióde možno odhadnúť z približného vyjadrenia
Treba poznamenať, že kedy Ra = 0(čo zodpovedá činnosti diódy pri kapacitnej záťaži), spätný prúd diódou v momente jej vypnutia môže byť mnohonásobne vyšší ako záťažový prúd v stacionárnom režime.
Z uvažovania grafov na obr. 2.6a vyplýva, že straty výkonu v dióde prudko narastajú pri jej zapnutí a najmä pri jej zhasnutí. V dôsledku toho sa straty v dióde zvyšujú so zvyšujúcou sa frekvenciou usmerneného napätia. Keď dióda pracuje pri nízkej frekvencii a harmonickom tvare napájacieho napätia, nevznikajú žiadne prúdové impulzy s veľkou amplitúdou a straty v dióde sú výrazne znížené.
Pri zmene teploty tela diódy sa menia jej parametre. Táto závislosť musí byť zohľadnená pri návrhu hardvéru. Priame napätie na dióde a jej spätný prúd najviac závisia od teploty. Teplotný koeficient napätia (TKV) na dióde je záporný, pretože so zvyšujúcou sa teplotou napätie na dióde klesá. Približne môžeme predpokladať, že TKN U up = -2 mB/K.
Spätný prúd diódy ešte silnejšie závisí od teploty puzdra a má kladný koeficient. Takže so zvýšením teploty o každých 10 ° C sa spätný prúd germánových diód zvyšuje 2-krát a kremíka - 2,5-krát.
Straty v usmerňovacích diódach možno vypočítať podľa vzorca
kde P 11p - straty v dióde v priepustnom smere prúdu, P^- straty v dióde so spätným prúdom, R, k- straty v dióde v štádiu spätného zotavenia.
Ryža. 2 6 Grafy procesov odomykania a zamykania diódy (a) a skúšobná schéma (b)
Približnú forwardovú stratu možno vypočítať pomocou vzorca
kde /„pep a (/„pq, sú priemerné hodnoty priepustného prúdu a priepustného napätia na dióde. Podobne môžete vypočítať stratu výkonu pri spätnom prúde:
A nakoniec, „straty v štádiu spätného získavania sú určené vzorcom
kde / "- Frekvencia" striedavého napätia.
Po výpočte výkonových strát v dióde je potrebné určiť teplotu tela diódy pomocou vzorca
kde G pmax \u003d 150 ° C - maximálna povolená teplota kryštálu diódy, RnK- tepelný odpor prechodu-tela diódy (uvedený v referenčných údajoch pre diódu), G až max - maximálna dovolená teplota tela diódy.
Diódy so Schottkyho bariérou Schottkyho bariérové diódy (DSh) sa široko používajú na nápravu nízkeho napätia s vysokou frekvenciou. V týchto diódach sa namiesto p-n prechodu používa kovový povrchový kontakt s polovodičom. V mieste kontaktu 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:
Nižší pokles napätia vpred;
Majú nižšie spätné napätie;
Vyšší zvodový prúd;
Neexistuje takmer žiadny poplatok za spätné vymáhanie.
Dve hlavné charakteristiky robia tieto diódy nepostrádateľnými pri konštrukcii nízkonapäťových, vysokofrekvenčných usmerňovačov: nízky úbytok napätia v priepustnom smere a rýchly čas obnovy spätného napätia. Okrem toho neprítomnosť menšinových nosičov vyžadujúcich čas spätného zotavenia znamená, že nedochádza k žiadnej fyzickej strate spínania v samotnej dióde.
V Schottkyho bariérových diódach je pokles napätia vpred funkciou spätného napätia. Maximálne napätie moderných Schottkyho diód je asi 150V. Pri tomto napätí je priepustné napätie LH 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 priepustné napätie 0,4 ... 0,6 V a pri rovnakom prúde má dióda s /> -l prechodom úbytok napätia 0,5 ... 1,0 V. Keď spätné napätie klesne na 15V, dopredné napätie sa zníži na 0,3 ... 0,4V. V priemere môže použitie Schottkyho diód v usmerňovači znížiť straty asi o 10 ... 15%. Maximálna pracovná frekvencia LH presahuje 200 kHz pri prúdoch do 30 A.
Podobné informácie.
Prechod elektrón-diera ( p–n-prechod) je prechodová vrstva medzi dvoma oblasťami polovodiča s rôznou elektrickou vodivosťou, v ktorej je difúzne elektrické pole.
Oblasti sú oddelené rovinou, kde sa mení typ prevládajúcich nečistôt a nazýva sa to metalurgická hranica. V blízkosti metalurgickej hranice sa nachádza vrstva ochudobnená o mobilné nosiče náboja, kde sú prítomné nepohyblivé ionizované atómy nečistôt (obr. 3.1).
Ryža. 3.1. Prechod elektrón-diera
Nehybné ióny v ochudobnenej vrstve vytvárajú priestorové elektrické náboje s kladnou a zápornou polaritou. To vytvára difúzne elektrické pole so silou E rozdiel a rozdiel kontaktného potenciálu k) Hodnota kontaktu
potenciálny rozdiel závisí od koncentrácie akceptorovej nečistoty
N A, N D a teploty:
.
Hrúbka ochudobnenej vrstvy závisí aj od koncentrácie nečistôt:
,
kde A je koeficient určený polovodičovým materiálom.
3.2. prúd cez p-n- prechod
Naprieč p–n-preteká prechodový prúd, ktorý predstavuje súčet zložiek difúzie a driftu. Difúzny prúd je tvorený hlavnými nosičmi náboja, pre pohyb ktorých difúzne pole spomaľuje. Zvýšenie difúzneho prúdu zvyšuje intenzitu poľa E dif, rozdiel kontaktného potenciálu a potenciálna bariéra . To má za následok zníženie prúdu. Tým sa vytvorí rovnováha.
Driftový prúd je tvorený menšinovými nosičmi náboja, pre ktoré sa difúzne pole zrýchľuje.
V rovnovážnom stave je súčet difúznych a driftových prúdov rovný nule:
ja rozdiel + ja dr = 0.
3.3. Priame pripojenie p–n-prechod
Priama súvislosť je taká inklúzia, pri ktorej pole vytvorené vonkajším napätím smeruje proti difúznemu poľu (obr. 3.2).
Ryža. 3.2. Priame pripojenie p–n-prechod
V dôsledku toho sa rozdiel kontaktných potenciálov znižuje, potenciálna bariéra klesá a prúd hlavných nosičov náboja cez spoj sa zvyšuje.
3.4. Obrátené začlenenie p – n-prechod
Obrátené začlenenie p – n-prechod sa vyznačuje tým, že intenzita poľa vytvoreného vonkajším napätím sa v smere zhoduje s intenzitou difúzneho poľa(obr. 3.3).
Ryža. 3.3. Obrátené začlenenie p–n-prechod
V dôsledku toho sa rozdiel kontaktných potenciálov zvyšuje, potenciálna bariéra sa zvyšuje a prúd hlavných nosičov náboja cez spojenie klesá.
3.5. (VAC)
idealizované p-n- prechod
Voltampérové charakteristiky p–n-prechod je závislosť prúdu cez prechod od napätia, ktoré je naň aplikované.
Idealizácia p–n-prechod je prijať nasledovné
predpoklady.
1. Oblasti susediace s prechodom p a n vyznačuje sa nulovým odporom. Preto je externé napätie privedené priamo na p–n-prechod.
2. V oblasti p–n-prechod, neexistujú žiadne procesy generovania a rekombinácie voľných nosičov náboja. Potom prúd cez križovatku závisí od vonkajšieho napätia aplikovaného na križovatku U vonkajšie, t.j. charakteristiku prúdového napätia možno opísať Shockleyho vzorcom:
,
kde ja 0 - tepelný prúd, ktorý vytvárajú menšie nosiče náboja a závisí od troch faktorov:
1) koncentrácia minoritných nosičov náboja, nepriamo úmerná koncentrácii nečistôt;
2) pásmový rozdiel Čím viac, tým menej
ona ja 0 ;
3) teplota. S nárastom teploty sa zvyšuje rýchlosť tvorby nosičov náboja a zvyšuje sa ich koncentrácia.
3.6. Zónový (energetický) diagram
p-n- prechod
o U ext = 0. Rovnovážny stav. Fermiho hladina má jednu hodnotu pre celú konštrukciu (obr. 3.4).
o U ext 0. Priame spojenie p–n-prechod (obr. 3.5).
Ryža. 3.4. Pásmový diagram rovnováhy p–n-prechod
Ryža. 3.5. Schéma zóny s priamym pripojením p-n-prechod
o U ext 0. Obrátené zahrnutie p–n-prechod (obr. 3.6).
Ryža. 3.6. Zónový diagram pri opätovnom zapnutí p–n-prechod
3.7. Skutočné rozdiely CVC
a idealizované p–n-prechody
Reálny p–n-prechody sú spravidla asymetrické. V tomto prípade koncentrácia nečistôt v jednej oblasti prevyšuje koncentráciu nečistôt v inej oblasti. Oblasť s vyššou koncentráciou sa nazýva žiarič, s nižšou koncentráciou - báza. Nižšia koncentrácia nečistôt znamená nižšiu elektrickú vodivosť a vyšší odpor. Preto v reálnom p–n-prechody zanedbávajú špecifické
základný odpor nie je možný. Ekvivalentný obvod reálneho
p–n-prechod má tvar (obr. 3.7).
Ryža. 3.7. Ekvivalentný obvod reálneho p–n-prechod
Druhý rozdiel medzi skutočným p–n-prechodom z idealizovaného je prítomnosť procesov tvorby a rekombinácie nosičov náboja v vyčerpanej vrstve. Preto pri opätovnom zapnutí prúd cez prechod nie je konštantný, ale závisí od napätia privedeného na prechod (obr. 3.8).
Ryža. 3.8. Rozdiel medzi I–V charakteristikami skutočného p–n- prechod od idealizovaného
Tretím rozdielom je prítomnosť javu rozpadu pri
spätné začlenenie p–n-prechod.
3.8. Zlomiť p–n-prechod
Porucha sa prejavuje prudkým nárastom prúdu cez
p–n-prechod s miernou zmenou použitého spätného napätia.
Existujú tri typy členenia.
Lavínový rozpad - vzniká v dôsledku lavínového rozmnožovania menšinových nosičov náboja nárazovou ionizáciou. Napätie, pri ktorom sa objavuje, rastie so zvyšujúcou sa teplotou (obr. 3.9).
Ryža. 3.9. CVC počas lavínového rozpadu
Tunelový rozpad - nastáva v dôsledku prechodu elektrónov z viazaného stavu do voľného stavu bez toho, aby im odovzdali ďalšiu energiu. So zvyšujúcou sa teplotou klesá prierazné napätie (obr. 3.10).
Ryža. 3.10. CVC pri prerušení tunela p–n-prechod
Tepelný rozpad je prieraz, ktorého vývoj je spôsobený uvoľňovaním tepla v dôsledku prechodu prúdu cez prechod. Na rozdiel od lavín a tunelovania je nevratný, t.j. v dôsledku poruchy prechod prestane fungovať. So zvyšujúcou sa teplotou prierazné napätie klesá (obr. 3.11).
Ryža. 3.11. CVC počas tepelného rozpadu p–n-prechod
3.9. VAC závislosť p–n-prechod
teplota
Keď teplota stúpa, prúd prechádza p–n- priamy prechod rastie v dôsledku zvýšenia energie nosičov nabíjačka, ktoré vďaka tomu ľahšie prekonávajú potenciálnu bariéru.
Po opätovnom zapnutí p–n-prechod s rastúcou teplotou, prúd cez ňu sa zvyšuje v dôsledku zvýšenia rýchlosti generovania nosičov náboja pri prechode (obr. 3.12).
Ryža. 3.12. VAC závislosť p–n- prechod z teploty
3.10. VAC závislosť p-n- prechod z polovodičového materiálu
Voltampérové charakteristiky p– n-prechod závisí od zakázaného pásma energetického diagramu polovodičového materiálu.
Čím väčšia je medzera v pásme, tým nižšia je rýchlosť generovania tepla a tým nižšia je koncentrácia menšinových nosičov, ktoré vytvárajú spätný prúd ja 0 Preto je spätný prúd menší.
S priamym pripojením p– n-prechod, prúd cez ňu bude tým väčší, čím bude zakázané pásmo. Skutočne, prúd cez p– n-prechod je definovaný ako
.
S rastúcou hodnotou prúd ja 0 klesá a prúd ja tiež klesá.
Pre najbežnejšie polovodičové materiály Ge, Si a GaAs sú I–V charakteristiky spojené nasledovne (obr. 3.13).
Ryža. 3.13. VAC závislosť p–n-prechod
z materiálu
3.11. Kapacita p–n-prechod
V vyčerpanej vrstve p– n-prechod, existujú priestorové náboje, ktoré sú tvorené nábojmi ionizovaných donorových a akceptorových nečistôt. Tieto náboje majú rovnakú veľkosť a opačné znamienko. Preto je vrstva vyčerpania ako kondenzátor. Pretože náboje určujú potenciálnu bariéru, kapacita sa nazýva bariérová kapacita. Jeho hodnota je
Kde 
,
kde S- námestie p–n- prechod, U je vonkajšie napätie aplikované na križovatku, n= 0,5 pre ostrý prechod, n= 0,3 pre hladký prechod.
Závislosť kapacity bariéry od napätia aplikovaného na prechod sa nazýva kapacitno-napäťová charakteristika (obr. 3.14).
S priamym pripojením p–n-prechod, dochádza k procesu vstrekovania menších nosičov náboja. Nadmerné koncentrácie vedľajších nosičov sa objavujú v každej oblasti a v súlade s podmienkou elektrickej neutrality sa im rovnajú nadmerné koncentrácie hlavných nosičov. Teda v n Zistilo sa, že oblasti (ako v kondenzátore) majú rovnaké množstvo kladného náboja prebytočných dier (menšinové nosiče) a záporného náboja prebytočných elektrónov (väčšinové nosiče). Podobne p-oblasť sa správa ako kondenzátor so záporným nábojom prebytočných elektrónov (menšinových nosičov) a rovnako kladným nábojom prebytočných dier (väčšinových nosičov).
Proces akumulácie prebytočných nábojov je zvyčajne charakterizovaný difúznou kapacitou, ktorá zohľadňuje zmenu prebytočných nosičov (dier a elektrónov) v oboch oblastiach so zmenou napätia.
Difúzna kapacita je určená priamymi difúznymi prúdmi otvorov IP a elektróny Ja n(odtiaľ názov kapacity) a životnosť menšinových dopravcov a:
.
Difúzne prúdy IP a Ja n rastie so zvyšujúcim sa napätím vpred pn-prechod a rýchlo miznú na zadnej strane. Preto závislosť S rozdiel napätia približne opakuje priebeh priamej vetvy I–V charakteristiky p–n-prechod.
Ekvivalentný obvod p–n-prechod, berúc do úvahy jeho kapacitné vlastnosti, je znázornený na obr. 3.15.
3.12. Kontakt kov-polovodič
Kontakty medzi polovodičom a kovom sa široko používajú na vytváranie vonkajších vodičov z polovodičových oblastí zariadení a na vytváranie vysokorýchlostných diód. Typ kontaktu kov-polovodič je určený pracovnou funkciou elektrónov z kovu a polovodiča, vodivostným prúdom polovodiča a koncentráciou nečistôt v ňom.
Pracovná funkcia elektrónov je energia potrebná na prenos elektrónov z Fermiho hladiny do stropu hornej voľnej zóny.
V prípade ideálneho kontaktu kov-polovodič a bez zohľadnenia povrchových stavov difundujú elektróny prevažne z materiálu s nižšou pracovnou funkciou. V dôsledku difúzie a redistribúcie náboja je narušená elektrická neutralita oblastí susediacich s rozhraním, vzniká kontaktné elektrické pole a rozdiel kontaktných potenciálov.
kde A m, A n je pracovná funkcia elektrónov z kovu a polovodiča.
Prechodová vrstva, v ktorej je kontaktné (alebo difúzne) elektrické pole a ktorá vzniká v dôsledku kontaktu medzi kovom a polovodičom, sa nazýva Schottkyho prechod.
V závislosti od typu elektrickej vodivosti polovodiča a od pomeru pracovných funkcií sa v polovodiči môže objaviť ochudobnená alebo obohatená vrstva. Ak je pracovná funkcia v kove menšia ako pracovná funkcia v polovodiči A m< A n, potom elektróny s skôr sa zmení z kovu na polovodič. To vedie k vytvoreniu ochudobnenej vrstvy v polovodiči, ak je polovodič p-typ, alebo aj inverzná vrstva, ak A m<< A n Ak je polovodič n-typu, vzniká obohatená vrstva.
V ochudobnených vrstvách sa priestorový náboj vytvára v dôsledku narušenia kompenzácie náboja ionizovaných nečistôt hlavnými nosičmi a v obohatených vrstvách v dôsledku akumulácie hlavných nosičov náboja. Obohatená vrstva spôsobuje nízky odpor oblasti blízkeho kontaktu polovodiča v porovnaní s odporom objemu polovodiča. Preto takýto prechod nemá rektifikačné vlastnosti a tvorí ohmický kontakt. V prítomnosti ochudobnenej alebo inverznej vrstvy má Schottkyho prechod usmerňovacie vlastnosti, pretože vonkajšie napätie, dopadajúce hlavne na vysokoodporový prechod, zmení výšku jeho potenciálnej bariéry, čím sa zmenia podmienky prechodu nosičov náboja cez križovatka.
Charakteristickým znakom rektifikačného Schottkyho prechodu je na rozdiel od p–n-prechod je iná výška potenciálových bariér pre elektróny a diery. Výsledkom je, že menšinové nosiče náboja nemusia byť vstrekované do polovodiča cez Schottkyho prechod. Preto sa nehromadia a nie je potrebná ich resorpcia. Preto vysoká rýchlosť Schottkyho prechodu.
Heterojunkcie
Heterojunkcia je prechodná vrstva, v ktorej existuje difúzne elektrické pole medzi dvoma polovodičmi rôzneho chemického zloženia.
Šírka elektrických pásiem rôznych polovodičov je rôzna. Preto sa na rozhraní medzi dvoma polovodičmi (na metalurgickom kontakte heteroprechodu) získa diskontinuita spodnej časti vodivého pásu a vrcholu valenčného pásu. V dôsledku diskontinuít sa výška potenciálnych bariér pre elektróny a diery v heterojunkcii ukazuje ako iná. Toto je vlastnosť heteroprechodov, ktorá určuje špecifické vlastnosti heteroprechodov, na rozdiel od p–n-prechody.
Heteroprechody môžu byť tvorené polovodičmi s rôznymi typmi vodivosti: p–n, p–p, n–n. V závislosti od typu vodivosti a zakázaného pásma energetických diagramov môže byť prúd cez prechod určený elektrónmi aj dierami. Napríklad cez kontakt s germániom p-typ a arzenid gália n-typu tečie hlavne elektronický prúd (obr. 3.16).
Ryža. 3.16. Pásmový diagram prechodu Ge ( p-typ) – GaAs ( n-typ)
Cez prechod germánia p-typ, arzenid gália p-typu tečie hlavne dierový prúd (obr. 3.17).
Ryža. 3.17. Pásmový diagram prechodu Ge ( p-typ) – GaAs ( p-typ)
Pre vytvorenie kvalitného heteroprechodu je potrebné zosúladiť typ, orientáciu a periódu kryštálových mriežok kontaktujúcich polovodičov tak, aby kryštálová mriežka jedného polovodiča s minimálnym počtom porušení prešla do kryštálovej mriežky druhého polovodiča. Najpoužívanejšie v polovodičových zariadeniach sú heteroprechody medzi polovodičmi na báze arzenidov gália a hliníka, fosfidov a antimonidov. V dôsledku blízkosti kovalentných polomerov gália a hliníka dochádza k zmenám v chemickom zložení polovodičov v heteroprechode bez zmeny periódy kryštálovej mriežky. Heterojunkcie vznikajú aj na báze viaczložkových tuhých roztokov, v ktorých sa mriežková perióda nemení pri zmene zloženia v širokom rozsahu.
3.14. Štruktúra kov-izolátor-polovodič
Kovovo-dielektricko-polovodičové (MIS) štruktúry tvoria základ tranzistorov MIS s efektom poľa, fotovoltaických zariadení, napäťovo riadených kondenzátorov a sú tiež široko používané v integrovaných obvodoch.
Najjednoduchšia štruktúra MIS obsahuje polovodičový kryštál - substrát, dielektrickú vrstvu, kovovú elektródu - hradlo, ohmický kontakt so substrátom (obr. 3.17).
Ryža. 3.17. Najjednoduchšia štruktúra MIS
Konštrukcia má dva výstupy - bránu a kontakt na substrát a je to kondenzátor MIS, ktorého kapacita závisí od napätia U medzi bránou a výstupom substrátu.
Hradlové napätie vytvára elektrické pole, ktoré preniká cez tenkú (0,03 ... 0,1 μm) dielektrickú vrstvu do povrchovej vrstvy polovodiča, kde mení koncentráciu nosiča. V závislosti od hodnoty napätia sa pozorujú režimy obohatenia, vyčerpania alebo inverzie.
Ekvivalentný obvod štruktúry MIS môže byť reprezentovaný sériovým zapojením dvoch kondenzátorov C D je kapacita dielektrika a S g:
kde Jp je hustota náboja nekompenzovaných iónov nečistôt a mobilných nosičov náboja v polovodiči, j sur je napätie v povrchovej vrstve polovodiča, S- oblasť brány.
Najpoužívanejšia štruktúra MIS je založená na kremíku, kde dielektrikom je oxid kremičitý a hradlom je hliníkový film.
Podobné informácie.
Elektrické prechody
Elektrický prechod v polovodiči sa nazýva hraničná vrstva medzi dvoma oblasťami, ktorých fyzikálne vlastnosti majú významné fyzikálne rozdiely.
Existujú nasledujúce typy elektrických prechodov:
§ elektrónová diera, alebo p–n križovatka– prechod medzi dvoma oblasťami polovodiča s rôznymi typmi elektrickej vodivosti;
§ prechody medzi dvoma oblasťami, ak jedna z nich je kov a druhá polovodič p- alebo n- typ ( prechod kov-polovodič);
§ prechody medzi dvoma oblasťami s rovnakým typom elektrickej vodivosti, ktoré sa líšia hodnotou koncentrácie nečistôt;
§ prechody medzi dvoma polovodičovými materiálmi s rozdielnym pásmovým rozdielom ( heteroprechody).
Činnosť množstva polovodičových zariadení (diód, tranzistorov, tyristorov atď.) je založená na javoch, ktoré sa vyskytujú pri kontakte medzi polovodičmi s rôznymi typmi vodivosti.
Hranica medzi dvoma oblasťami polovodičového monokryštálu, z ktorých jedna má elektrickú vodivosť typu p, a druhý je ako n sa nazýva prechod elektrón-diera. Koncentrácie hlavných nosičov náboja v regiónoch p a n môžu byť rovnaké alebo podstatne odlišné. P–n-prechod, pri ktorom sa koncentrácie dier a elektrónov prakticky rovnajú N p N n, sa nazýva symetrický. Ak sú koncentrácie hlavných nosičov náboja rôzne (N p >> N n alebo N p<< N n) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют asymetrické.
Asymetrické p–n-prechody sa používajú širšie ako symetrické, takže v budúcnosti budeme uvažovať iba o nich.
Uvažujme polovodičový monokryštál (obr. 1.12), do ktorého je na jednej strane vnesená prímes akceptora, čo spôsobilo vznik tu
typ vodivosti p a na druhej strane bola zavedená donorová nečistota, vďaka ktorej je elektrická vodivosť typu n. Každý mobilný nosič kladného náboja v regióne p(diera) zodpovedá záporne nabitému iónu akceptorovej nečistoty, ale nehybnému, nachádza sa v mieste kryštálovej mriežky a v oblasti n každý voľný elektrón zodpovedá kladne nabitému iónu donorovej nečistoty, v dôsledku čoho zostáva celý monokryštál elektricky neutrálny.
Voľné nosiče elektrických nábojov pôsobením koncentračného gradientu sa začnú presúvať z miest s vysokou koncentráciou do miest s nižšou koncentráciou. Otvory tak budú z oblasti difundovať p do regiónu n, a elektróny naopak z regiónu n do regiónu p. Tento pohyb elektrických nábojov smerujúcich k sebe vytvára difúzny prúd p–n-prechod. Ale akonáhle diera z oblasti p sa presunie do oblasti n, je obklopený elektrónmi, ktoré sú hlavnými nosičmi elektrických nábojov v oblasti n. Preto je veľká pravdepodobnosť, že nejaký elektrón vyplní voľnú hladinu a dôjde k rekombinačnému javu, v dôsledku ktorého tam nebude ani diera, ani elektrón, ale zostane elektricky neutrálny atóm polovodiča. Ale ak skôr bol kladný elektrický náboj každej diery kompenzovaný záporným nábojom iónu akceptorovej nečistoty v oblasti p a elektrónový náboj je kladný náboj donorového iónu nečistoty v oblasti n, potom po rekombinácii diery a elektrónu zostali elektrické náboje nehybných iónov nečistôt, ktoré vytvorili túto dieru a elektrón, nekompenzované. A v prvom rade sa nekompenzované náboje iónov nečistôt prejavujú v blízkosti rozhrania (obr. 1.13), kde vzniká vrstva priestorových nábojov oddelená úzkou medzerou. Medzi týmito nábojmi je elektrické pole so silou E, ktoré sa nazýva potenciálne bariérové pole a potenciálny rozdiel na rozhraní medzi dvoma zónami, ktoré toto pole spôsobujú, sa nazýva rozdiel kontaktných potenciálov
Toto elektrické pole začína pôsobiť na mobilné nosiče elektrických nábojov. Takže diery v okolí p- hlavní nosiči, ktorí spadajú do zóny pôsobenia tohto poľa, majú z neho spomaľujúci, odpudivý účinok a pohybujú sa pozdĺž siločiary tohto poľa, budú zatlačené hlboko do oblasti p. Podobne elektróny z regiónu n, spadajúci do zóny pôsobenia potenciálneho bariérového poľa, ním bude vytlačený hlboko do priestoru n. V úzkej oblasti, kde pôsobí potenciálne bariérové pole, sa teda vytvorí vrstva, kde prakticky nie sú žiadne voľné nosiče elektrického náboja a v dôsledku toho má vysoký odpor. Ide o takzvanú bariérovú vrstvu.
Ak v oblasti p Ak sa voľný elektrón, ktorý je pre túto oblasť vedľajším nosičom, nejakým spôsobom nachádza v blízkosti rozhrania, potom zažije zrýchľujúci účinok elektrického poľa potenciálovej bariéry, v dôsledku čoho bude tento elektrón vrhnutý cez rozhranie do regiónu n, kde bude hlavným prepravcom. Podobne, ak v oblasti n objaví sa malý nosič - diera, potom sa pôsobením potenciálneho bariérového poľa prenesie do regiónu p, kde už bude hlavným dopravcom. Pohyb maloletých dopravcov cez p–n-prechod pôsobením elektrického poľa potenciálovej bariéry určuje zložku driftového prúdu.
Pri absencii vonkajšieho elektrického poľa sa vytvorí dynamická rovnováha medzi tokmi hlavných a vedľajších nosičov elektrického náboja. Teda medzi difúznou a driftovou zložkou prúdu p–n-prechod, pretože tieto zložky smerujú k sebe.
Diagram potenciálu p–n- prechod je znázornený na obr. 1.13 a potenciál na rozhraní medzi regiónmi sa berie ako nulový potenciál. Rozdiel kontaktných potenciálov tvorí potenciálnu bariéru na rozhraní s výškou. Diagram ukazuje potenciálnu bariéru pre elektróny, ktoré majú tendenciu pohybovať sa sprava doľava v dôsledku difúzie (z oblasti n do regiónu p). Ak kladný potenciál dáme nahor, môžeme získať obraz potenciálnej bariéry pre diery difundujúce zľava doprava (z oblasti p do regiónu n).
V neprítomnosti vonkajšieho elektrického poľa a za podmienok dynamickej rovnováhy sa v polovodičovom kryštáli vytvorí jedna Fermiho hladina pre obe oblasti vodivosti.
Keďže však polovodiče p-Typ Fermiho hladina
sa posúva na vrchol valenčného pásma a v polovodičoch n-typ -
Do spodnej časti vodivého pásu, potom do šírky p–n-prechodový diagram energetických pásov (obr. 1.14) je ohnutý a vzniká potenciálna bariéra:
kde je energetická bariéra, ktorú musí elektrón prekonať v oblasti n aby mohol ísť do oblasti p, alebo podobne pre dieru v kraji p aby mohla ísť do oblasti n .
Výška potenciálnej bariéry závisí od koncentrácie nečistôt, pretože keď sa mení, Fermiho hladina sa mení a posúva sa zo stredu zakázaného pásma k jej hornej alebo dolnej hranici.
1.7.2. Vlastnosť brány p–n križovatka
P–n-prechod, má vlastnosť meniť svoj elektrický odpor v závislosti od smeru prúdu, ktorý ním preteká. Táto vlastnosť je tzv ventil, a zariadenie, ktoré má túto vlastnosť, sa nazýva elektrický ventil.
Zvážte p–n-prechod, ku ktorému je pripojený externý zdroj napätia Uvn s polaritou uvedenou na obr. 1.15, "+" pre oblasť p-typ, "-" do oblasti n-typ. Takéto spojenie je tzv priame spojenie p–n- prechod (resp priama zaujatosť p–n križovatka). Potom intenzita elektrického poľa vonkajšieho zdroja E ext bude smerovať k intenzite poľa potenciálnej bariéry E a následne povedie k zníženiu výsledného napätia E strih:
E res = E - E ext , (1.14).
To následne povedie k zníženiu výšky potenciálnej bariéry a zvýšeniu počtu majoritných nosičov difundujúcich cez rozhranie do susednej oblasti, ktoré tvoria takzvaný dopredný prúd. p–n-prechod. V tomto prípade v dôsledku zníženia retardačného, odpudivého pôsobenia potenciálneho bariérového poľa na hlavné nosiče sa šírka bariérovej vrstvy zmenšuje ( '< ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.
Keď sa vonkajšie napätie zvyšuje, dopredný prúd p–n- prechod sa zvyšuje. Po prekročení rozhrania sa väčšinové nosiče stávajú menšinovými nosičmi v opačnej oblasti polovodiča a prehĺbením do nej sa rekombinujú s väčšinovými nosičmi tejto oblasti. Ale pokiaľ je pripojený externý zdroj, prúd cez prechod je udržiavaný nepretržitým tokom elektrónov z vonkajšieho obvodu do n-oblasť a ich odchod z p-región do vonkajšieho okruhu, v dôsledku čoho dochádza ku koncentrácii otvorov v p- oblasti.
Zavedenie nosičov náboja cez p–n- prechod s poklesom výšky potenciálovej bariéry do oblasti polovodiča, kde sú tieto nosiče minoritné, tzv. vstrekovanie nosiča náboja.
Keď z oblasti otvoru tečie jednosmerný prúd R do elektronickej sféry n diery sa vstrekujú a elektróny sa vstrekujú z oblasti elektrónov do oblasti dier.
Injektovaná vrstva s relatívne nízkym odporom sa nazýva žiarič; vrstva, do ktorej dochádza k vstrekovaniu menších nosičov náboja, - základňu.
Na obr. 1.16 ukazuje energetický pásový diagram zodpovedajúci posunu dopredu p–n-prechod.
Ak do okres-prechod na pripojenie externého zdroja s opačnou polaritou "-" do oblasti p-typ, "+" do oblasti n-typ (obr. 1.17), potom sa takéto spojenie nazýva reverzné zahrnutie p–n križovatky(alebo reverzná zaujatosť p–n križovatka).
V tomto prípade intenzita elektrického poľa tohto zdroja E ext bude smerovať rovnakým smerom ako intenzita elektrického poľa E potenciálna bariéra; výška potenciálnej bariéry sa zvyšuje a difúzny prúd väčšiny nosičov sa prakticky rovná nule. V dôsledku zosilnenia retardačného, odpudivého pôsobenia celkového elektrického poľa na hlavné nosiče náboja sa šírka bariérovej vrstvy zväčšuje ( > ), a jej odpor sa prudko zvyšuje.
Teraz cez р–n- prechodom potečie veľmi malý prúd, v dôsledku prenosu celkového elektrického poľa na rozhraní, hlavné nosiče vznikajúce pôsobením rôznych ionizačné faktory, hlavne tepelného charakteru. Proces transferu menšinových nosičov je tzv extrakcia. Tento prúd má driftový charakter a je tzv spätný prúd p–n prechod.
Na obr. 1.18 ukazuje energetický pásový diagram zodpovedajúci spätnému predpätiu p–n- prechod.
závery:
1. P–n- prechod sa tvorí na hranici p- a n-plochy vytvorené v polovodičovom monokryštáli.
2. V dôsledku difúzie do p–n-prechod, vzniká elektrické pole - potenciálna bariéra, ktorá bráni zosúladeniu koncentrácií hlavných nosičov náboja v susedných oblastiach.
3. Bez externého napätia U ext to p–n- prechodom sa vytvorí dynamická rovnováha: veľkosť difúzneho prúdu sa rovná driftovému prúdu, ktorý tvoria menšinové nosiče náboja, v dôsledku čoho prúd cez p–n- prechod sa stáva nulovým.
4. Zaujatosť dopredu p–n-prechod, potenciálová bariéra sa zníži a cez prechod preteká pomerne veľký difúzny prúd.
5. S reverznou zaujatosťou p–n-prechod, potenciálna bariéra stúpa, difúzny prúd klesá na nulu a cez prechod preteká malý driftový prúd. To naznačuje p–n-prechod má jednosmerné vedenie. Táto vlastnosť je široko používaná na usmerňovanie striedavých prúdov.
6. Šírka p–n-prechod závisí: od koncentrácií nečistôt v p- a n- plochy, na znamenie a veľkosť privedeného vonkajšieho napätia U ext. Ako sa zvyšuje koncentrácia nečistôt, šírka p–n-prechod klesá a naopak. So zvyšujúcim sa priepustným napätím sa šír p–n- prechod sa znižuje. Keď sa spätné napätie zvyšuje, šírka p–n- prechod sa zvyšuje.
1.7.3. Prúdovo-napäťová charakteristika p–n prechodu
Voltampérové charakteristiky p–n-prechod je závislosť prúdu cez p–n-prechod z veľkosti napätia, ktoré je naň aplikované. Vypočítava sa na základe predpokladu, že mimo ochudobnenej vrstvy nie je žiadne elektrické pole, t.j. je privedené všetko napätie p–n-prechod. Celkový prietok p–n-prechod je určený súčtom štyroch členov:
kde je elektrónový driftový prúd;
Prúd driftového otvoru;
Elektronický difúzny prúd;
dierový difúzny prúd; koncentrácia elektrónov vstreknutých do R- plocha;
Koncentrácia vstrekovaných otvorov n- oblasť.
V tomto prípade ide o koncentrácie menšinových nosičov n p0 a p n0 závisí od koncentrácie nečistôt Np a N n nasledujúcim spôsobom:
kde n i, pi sú vnútorné koncentrácie nosičov náboja (bez nečistôt) elektrónov a dier.
Rýchlosť šírenia nosiča náboja υ n, p dif môžu byť povolené blízko ich rýchlosti driftu υ n, p dr v slabom elektrickom poli s malými odchýlkami od rovnovážnych podmienok. V tomto prípade platia pre podmienky rovnováhy nasledujúce rovnosti:
υ p dif = υ p dr = υ p , υ n dif = υ n dr = υ n.
Potom výraz (1.15) možno zapísať ako:
, (1.16).
Spätný prúd možno vyjadriť takto:
kde Dn,p je koeficient difúzie dier alebo elektrónov;
L n, s je difúzna dĺžka dier alebo elektrónov. Keďže parametre Dn,p , p n0 , n p0 , L n , p = závisí od teploty, spätný prúd sa častejšie nazýva tepelný prúd.
S jednosmerným napätím z externého zdroja ( U ext > 0), exponenciálny člen vo výraze (1.16) rýchlo narastá, čo vedie k rýchlemu zvýšeniu jednosmerného prúdu, ktorý, ako už bolo uvedené, je určený najmä difúznou zložkou.
S reverzným napätím externého zdroja
() exponenciálny člen je oveľa menší ako jedna a prúd р–n-prechod sa prakticky rovná spätnému prúdu, ktorý je určený hlavne zložkou driftu. Forma tejto závislosti je znázornená na obr. 1.19. Prvý kvadrant zodpovedá úseku priamej vetvy prúdovo-napäťovej charakteristiky a tretí kvadrant zodpovedá spätnej vetve. So zvyšujúcim sa priepustným napätím prúd р–n-prechod v priepustnom smere narastá najskôr pomerne pomaly a potom začína úsek rýchleho rastu priepustného prúdu, čo vedie k dodatočnému zahrievaniu polovodičovej štruktúry. Ak množstvo uvoľneného tepla v tomto prípade presiahne množstvo tepla odobraté z polovodičového kryštálu, či už prirodzene alebo pomocou
špeciálnych chladiacich zariadení, potom môžu nastať nezvratné zmeny v štruktúre polovodičov až po deštrukciu kryštálovej mriežky. Preto jednosmerný prúd р–n-prechod musí byť obmedzený na bezpečnú úroveň, s vylúčením prehriatia polovodičovej štruktúry. Na to je potrebné použiť obmedzovací odpor zapojený do série p–n-prechod.
Zvýšením spätného napätia aplikovaného na р–n-prechod, spätný prúd sa mení nevýznamne, pretože driftová zložka prúdu, ktorá prevláda pri spätnom spínaní, závisí hlavne od teploty kryštálu a zvýšenie spätného napätia vedie len k zvýšeniu rýchlosti driftu menšiny dopravcov bez zmeny ich čísla. Tento stav sa udrží až do spätného napätia, pri ktorom začne intenzívny rast spätného prúdu – tzv rozpad p–n križovatky.
1.7.4. Typy porúch p–n križovatiek
Možné sú reverzibilné a nezvratné poruchy. Reverzibilná porucha je porucha, po ktorej p–n- prechod zostáva funkčný. Nevratný rozpad vedie k zničeniu polovodičovej štruktúry.
Existujú štyri typy porúch: lavínové, tunelové, tepelné a povrchové. Lavínové a tunelové poruchy budú spojené pod názvom - elektrická porucha, ktorý je reverzibilný. Nevratné zahŕňajú tepelné a povrchové.
Lavínový rozpad charakteristické pre polovodiče, s výraznou hrúbkou р–n-prechod tvorený jemne dotovanými polovodičmi. V tomto prípade je šírka ochudobnenej vrstvy oveľa väčšia ako difúzna dĺžka nosičov. K rozpadu dochádza pri pôsobení silného elektrického poľa s intenzitou E(8…12) р–n-prechod.
Tieto nosiče sú testované zo strany elektrického poľa р–n-prechod urýchľujúci akciu a začnú sa rýchlo pohybovať pozdĺž siločiar tohto poľa. Pri určitej veľkosti napätia môžu menšinové nosiče náboja na strednej voľnej dráhe l (obr. 1.20) zrýchliť na takú rýchlosť, že Kinetická energia môže stačiť jeho ionizácia pri ďalšej zrážke s polovodičovým atómom, t.j. „vyrazí“ jeden z jeho valenčných elektrónov a prenesie ho do vodivého pásma, čím vytvorí pár „elektrón-diera“. Vzniknuté nosiče sa tiež začnú v elektrickom poli zrýchľovať, zrážať sa s inými neutrálnymi atómami a proces sa tak rozrastie ako lavína. V tomto prípade dochádza k prudkému zvýšeniu spätného prúdu s prakticky nezmeneným spätným napätím.
Parameter charakterizujúci lavínový rozpad je multiplikačný faktor lavín M, definovaný ako počet lavínových multiplikačných udalostí v oblasti silného elektrického poľa. Hodnota spätného prúdu po lavínovom znásobení sa bude rovnať:
kde je počiatočný prúd; U– použité napätie; U n je lavínové prierazné napätie; n je koeficient rovný 3 pre Ge, 5 pre Si.
rozpad tunela prebieha vo veľmi tenkom р–n-prechody, čo je možné pri veľmi vysoká koncentrácia nečistoty N 10 19 cm -3, keď sa šírka prechodu zmenší (rádovo 0,01 μm) a pri nízkych hodnotách spätného napätia (niekoľko voltov), keď dôjde k veľkému gradientu elektrického poľa. Vysoká hodnota intenzity elektrického poľa, pôsobiaceho na atómy kryštálovej mriežky, zvyšuje energiu valenčných elektrónov a vedie k ich tunelovému „úniku“ cez „tenkú“ energetickú bariéru (obr. 1.21) z valenčného pásma. p-oblasti vo vodivom pásme n- oblasti. Navyše k „úniku“ dochádza bez zmeny energie nosičov náboja. Prieraz tunela je tiež charakterizovaný prudkým nárastom spätného prúdu pri prakticky nezmenenom spätnom napätí.
Ak spätný prúd pre oba typy elektrických porúch nepresiahne maximálnu prípustnú hodnotu, pri ktorej dôjde k prekmitu
zahrievanie a deštrukcia kryštálovej štruktúry polovodiča, sú reverzibilné a možno ich mnohokrát reprodukovať.
Termálne nazývaný rozpad p–n- prechod v dôsledku zvýšenia počtu nosičov náboja so zvýšením teploty kryštálu. So zvýšením spätného napätia a prúdu sa tepelná energia uvoľní р–n-prechod, a teda teplota kryštálovej štruktúry. Pôsobením tepla sa vibrácie kryštálových atómov zvyšujú a väzba valenčných elektrónov s nimi sa oslabuje, zvyšuje sa pravdepodobnosť ich prechodu do vodivého pásma a vytvárania ďalších nosných párov „elektrón-diera“. Ak je elektrická energia р–n-prechod prekročí maximálnu povolenú hodnotu, potom sa proces tvorby tepla lavínovito zväčší, v kryštáli nastane nezvratné preskupenie štruktúry a okres- prechod je zničený.
Aby sa predišlo tepelnému prierazu, je potrebné splniť podmienku
kde je maximálny povolený stratový výkon okres-prechod.
Rozbitie povrchu. Rozloženie intenzity elektrického poľa v р–n-prechod môže výrazne zmeniť náboje prítomné na povrchu polovodiča. Povrchový náboj môže viesť k zväčšeniu alebo zmenšeniu hrúbky spoja, v dôsledku čoho môže dôjsť k poruche na povrchu spoja pri intenzite poľa menšej, než je potrebná na vyvolanie prierazu v hrúbke polovodiča. Tento jav sa nazýva povrchový rozpad. Dôležitú úlohu pri výskyte povrchového rozpadu zohrávajú dielektrické vlastnosti média priliehajúceho k povrchu polovodiča. Na zníženie pravdepodobnosti rozpadu povrchu sa používajú špeciálne ochranné nátery s vysokou dielektrickou konštantou.
1.7.5. Kapacita р–n-prechod
Zmena externého napätia na p–n-prechod vedie k zmene šírky vyčerpanej vrstvy a tým aj elektrického náboja v nej nahromadeného (je to tiež spôsobené zmenou koncentrácie vstreknutých nosičov náboja v blízkosti prechodu). Na základe toho p–n-prechod sa správa ako kondenzátor, ktorého kapacita je definovaná ako pomer zmeny akumulovanej v p–n- prechod náboja na privedené vonkajšie napätie, ktoré túto zmenu spôsobilo.
Rozlišovať bariéra(alebo nabíjačka) a difúzia kapacita okres-prechod.
Bariérová kapacita zodpovedá obrátenej kapacite p–n- prechod, ktorý sa považuje za konvenčný kondenzátor, kde dosky sú hranicami ochudobnenej vrstvy a samotná ochudobnená vrstva slúži ako nedokonalé dielektrikum so zvýšenými dielektrickými stratami:
kde je relatívna permitivita polovodičového materiálu; - elektrická konštanta (); S - plocha p–n-prechod; je šírka ochudobnenej vrstvy.
Kapacita bariéry sa zvyšuje so zväčšovaním plochy. p–n-prechodová a dielektrická konštanta polovodiča a zmenšenie šírky ochudobňovacej vrstvy. V závislosti od oblasti prechodu môže byť C bar od jednotiek po stovky pikofaradov.
Charakteristickým znakom bariérovej kapacity je, že ide o nelineárnu kapacitu. Keď sa spätné napätie zvyšuje, zväčšuje sa šírka prechodu a kapacita S barom klesá. Povaha závislosti C bar \u003d f (U arr) ukazuje graf na obr. 1.22. Ako vidno, pod vplyvom U vzorky kapacita S barom sa niekoľkokrát mení.
Difúzna kapacita charakterizuje akumuláciu mobilných nosičov náboja v n- a p-oblasti s priepustným napätím na križovatke. Prakticky existuje len pri priepustnom napätí, keď do neho difundujú (injektujú) nosiče náboja vo veľkom počte cez nižšiu potenciálnu bariéru a nemajúc čas na rekombináciu, akumulujú sa v n- a p-oblasti. Každá hodnota dopredného napätia zodpovedá určitým hodnotám dvoch opačných nábojov + Q rozdiel a -Q rozdiel nahromadené v n- a p-plochy v dôsledku difúzie nosičov cez križovatku. Kapacita S dif je pomer poplatkov k potenciálnemu rozdielu:
S nárastom U pr dopredný prúd rastie rýchlejšie ako napätie, pretože prúdovo-napäťová charakteristika pre jednosmerný prúd má preto nelineárny tvar Q dif rastie rýchlejšie ako U pr a S dif zvyšuje.
Difúzna kapacita je oveľa väčšia ako bariérová kapacita, ale nedá sa použiť, pretože je posunutý malým priamym odporom p–n-prechod. Numerické odhady difúznej kapacity ukazujú, že jej hodnota dosahuje niekoľko jednotiek mikrofarád.
Touto cestou, р–n- prechod môže byť použitý ako variabilný kondenzátor,
riadené veľkosťou a znamienkom použitého napätia.
1.7.6. Kontakt "kov - polovodič"
V moderných polovodičových zariadeniach sa okrem kontaktov s p–n-prechod využíva kov-polovodičové kontakty.
V mieste dotyku polovodičového kryštálu vzniká kontakt „kov – polovodič“. n- alebo R-typ vedenia s kovmi. Procesy vyskytujúce sa v tomto prípade sú určené pomerom pracovných funkcií elektrónu z kovu a z polovodiča. Pod funkcia práce elektrónov pochopiť energiu potrebnú na prenos elektrónu z Fermiho hladiny na energetickú hladinu voľného elektrónu. Čím nižšia je pracovná funkcia, tým viac elektrónov môže opustiť dané teleso.
V dôsledku difúzie elektrónov a prerozdelenia nábojov je narušená elektrická neutralita oblastí susediacich s rozhraním, vzniká kontaktné elektrické pole a rozdiel kontaktného potenciálu:
. (1.21)
Prechodová vrstva, v ktorej je na kontakte kov-polovodič kontaktné elektrické pole, sa nazýva Schottkyho prechod, pomenovaná po nemeckom vedcovi W. Schottkym, ktorý ako prvý získal základné matematické vzťahy pre elektrické charakteristiky takýchto prechodov.
Kontaktné elektrické pole na Schottkyho prechode je sústredené prakticky v polovodiči, keďže koncentrácia nosičov náboja v kove je oveľa vyššia ako koncentrácia nosičov náboja v polovodiči. K redistribúcii elektrónov v kove dochádza vo veľmi tenkej vrstve porovnateľnej s medziatómovou vzdialenosťou.
V závislosti od typu elektrickej vodivosti polovodiča a pomeru pracovných funkcií v kryštáli sa môže objaviť ochudobnená, inverzná alebo obohatená vrstva o elektrické nosiče.
1. < , полупроводник n-typ (obr. 1.23, a). V tomto prípade bude prevládať výstup elektrónov z kovu ( M) do polovodiča, preto sa väčšina nosičov (elektrónov) hromadí v polovodičovej vrstve v blízkosti rozhrania a táto vrstva sa obohacuje, t.j. so zvýšenou koncentráciou elektrónov. Odpor tejto vrstvy bude malý pre akúkoľvek polaritu aplikovaného napätia, a preto takýto prechod nemá usmerňovaciu vlastnosť. Hovorí sa tomu inak nerektifikačný prechod.
2. < , полупроводник p-typ (obr. 1.23, b). V tomto prípade bude prevládať výstup elektrónov z polovodiča do kovu, pričom sa v hraničnej vrstve vytvorí aj oblasť obohatená o majoritné nosiče náboja (diery) s nízkym odporom. Takýto prechod tiež nemá usmerňujúcu vlastnosť.
3., polovodič typu n (obr. 1.24, a). Za takýchto podmienok budú elektróny prechádzať hlavne z polovodiča do kovu a v hraničnej vrstve polovodiča sa vytvorí oblasť, ktorá je ochudobnená o hlavné nosiče náboja a má vysoký odpor. Tu sa vytvorí relatívne vysoká potenciálová bariéra, ktorej výška bude výrazne závisieť od polarity privedeného napätia. Ak , potom je možná tvorba inverznej vrstvy ( p-typ). Takýto kontakt má usmerňujúcu vlastnosť.
4. , polovodič p-typ (obr. 1.24, b). Kontakt vytvorený za takýchto podmienok má rektifikačnú vlastnosť, ako ten predchádzajúci.
Výrazná vlastnosť kontakt "kov - polovodič" je to, že na rozdiel od bežného p–n-prechod tu je výška potenciálovej bariéry pre elektróny a diery iná. V dôsledku toho môžu byť takéto kontakty za určitých podmienok neinjekčné; keď kontaktom preteká jednosmerný prúd, menšinové nosiče sa nebudú vstrekovať do oblasti polovodičov, čo je veľmi dôležité pre vysokofrekvenčné a impulzné polovodičové zariadenia.
