Электронно-дырочный переход
Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены:
* эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник;
* фотопроводимость.
Были построены первые приборы на их основе. О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 - х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике).Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).
В СССР изучение полупроводников начались в конце 20 - х годов под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.
Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос в связи с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p - n - переходе, а затем на гетеропереходах.
В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки.
Рассмотрим подробнее принцип действия, типы и применение в технике полупроводниковых диодов.
Электронно-дырочный переход
Рассмотрим неоднородный полупроводник, одна часть которого имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную. При этом речь идет не о простом контакте двух различных полупроводников, а о едином монокристалле, у которого одна область легирована акцепторной примесью, а другая – донорной.
Между электронной и дырочной областями рассматриваемой полупроводниковой структуры всегда существует тонкий переходный слой, обладающий особыми свойствами. Этот слой называется электронно-дырочным или p-n-переходом.
Электронно-дырочный переход является основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов, его свойствами определяется принцип действия и функциональные возможности этих приборов.
Динамическое равновесие процессов диффузии и дрейфа в электронно-дырочном переходе.
Примем, что в рассматриваемой p-n-структуре концентрация дырок в дырочной области выше, чем в электронной(pp>pn), а концентрация электронов в электронной области выше, чем в дырочной(nn>np), на границе электронной и дырочной областей существует градиент концентрации носителей заряда, вызывающий диффузионный ток: дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. Диффузионный перенос заряженных частиц сопровождается нарушением электрической нейтральности полупроводника в непосредственной близости от границы областей: в p-области вследствие ухода дырок возникает не скомпенсированный отрицательный заряд, а в n-области вследствие ухода электронов – положительный заряд. В результате дырочная область приобретает отрицательный потенциал относительно электронной области и в переходном слое создается электрическое поле, вызывающее дрейфовый ток.
Но при отсутствии внешнего поля результирующий ток в полупроводнике должен быть равен нулю, это условие динамического равновесия процессов в переходе. Следовательно, диффузионный ток в переходе, вызываемый градиентом концентрации носителей заряда, должен уравновешиваться встречным дрейфующим током, обусловленным напряженностью собственного электрического поля E в переходе:
Таким образом, в электронно-дырочном переходе всегда существуют градиент концентрации заряда, вызывающий диффузию дырок и электронов, и обусловленный им градиент потенциала собственного электрического поля du/dx=-E, вызывающий встречные дрейфующие токи, уравновешивающие диффузионные токи:
,
Наличие этих градиентов в p-n-переходе обуславливает существенное отличие его электрофизических свойств от свойств, прилегающих к нему p- и n-областей.
Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода.
Энергетические диаграммы уединенных p- и n-областей полупроводника показаны на рисунке. В p-области уровень Ферми WFp смещен в сторону валентной зоны, а в n-области уровень Ферми WFn – в сторону зоны проводимости.
В p-n-структуре энергия уровня Ферми WF должна быть всюду одинакова:
WF = WFp = WFn,
так как в любой точке тела он имеет одну и ту же вероятность заполнения его электроном, равную, по определению, ?, а одной и той же вероятности заполнения уровней должна соответствовать одна и та же их энергия.
Поскольку расположение энергетических зон относительно уровня Ферми в каждой из областей (дырочной и электронной) фиксировано, из постоянства энергии уровня Ферми по всей p-n-структуре вытекает, что валентные зоны, а также зоны проводимости p- и n-областей должны быть смещены относительно друг друга на величину WFn - WFp.
Из условий динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа носителей заряда в p-n-переходе следует, что разность минимальных энергий электронов проводимости в p- и n-областях p-n-структуры Wcn – Wcp должна быть равна , так же как и разность энергий дырок, поэтому можно записать:
Концентрация электронов в зоне проводимости n-области выше, чем в p-области, так как минимальная их энергия здесь ниже (на величину ), чем в зоне проводимости p-области. Аналогично, концентрация дырок в валентной зоне p-области выше, чем в валентной зоне n-области.
Непосредственно в области перехода энергетические уровни, как в зоне проводимости, так и в валентной зоне расположены наклонно, что свидетельствует о наличии градиента потенциала, а, следовательно, и электрического поля, которое выталкивает подвижные носители заряда из перехода. По этой причине концентрация электронов и дырок в переходе очень низка.
Полупроводниковый диод.
Устройство диода.
Полупроводниковым диодом называется двух электродный прибор, основу которого составляет p-n-структура, состоящая из областей p-типа и n-типа, разделенных электронно-дырочным переходом (рис.). Одна из областей p-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда *, чем другая область, называемая базой.
База эмиттер с помощью электродов (Э), образующих омические переходы, соединяются с выводами (В), посредством которых диод включается в электрическую цепь.
Основным структурным элементом полупроводникого диода, определяющим его функциональные свойства, является p-n-переход – тонкий промежуточный слой между p- и n-областями.
Статические вольтамперные характеристики диода.
Статическая вольтамперная характеристика полупроводникового диода показана на рис. Здесь же пунктиром нанесена теоретическая вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода. Для наглядности обратная ветвь характеристики изображена в более крупном масштабе по току и в более мелком – по напряжению по сравнению с прямой ветвью.
В области малых токов реальная и теоретическая характеристики совпадают. Но при больших прямых токах, а также при высоких обратных напряжениях характеристики расходятся, что является следствием ряда причин, не учтенных при теоретическом анализе процессов в электронно-дырочном переходе.
В области больших прямых токов вследствие значительного падения напряжения на распределенном сопротивлении базы диода и сопротивлении электродов напряжение на электронно-дырочном переходе будет меньше напряжения U, приложенного к диоду, в результате чего реальная характеристика оказывается расположенной ниже теоретической и почти линейной.
Уравнение вольтамперной характеристики в этой области можно записать в виде:
,
где rб – электрическое сопротивление базы, электродов и вывода в диоде.
При повышении обратного напряжения обратный ток диода не остается постоянным, а медленно увеличивается. Одной из причин роста обратного тока диода является термическая генерация носителей зарядов в переходе. Составляющую обратного тока через переход, которая зависит от числа генерируемых в переходе в единицу времени носителей заряда, условимся называть термотоком перехода IT. С повышением обратного напряжения вследствие расширения перехода увеличивается его объем, поэтому число генерируемых в переходе носителей заряда и термоток перехода возрастают.
Другой причиной роста обратного тока диода является поверхностная проводимость электронно-дырочного перехода, обусловленные молекулярными и ионными пленками различного происхождения, покрывающими выходящую наружу поверхность перехода.
Из-за нестабильности физико-химической структуры этой поверхности, подверженной влиянию окружающей среды, ток утечки по поверхности Iу нестабилен, что приводит к «ползучести» характеристик диода. В современных диода поверхность перехода специально обрабатывают и защищают от внешних воздействий, поэтому ток утечки всегда существенно меньше термотока.
Таким образом, полный и обратный ток диода:
.
Пробой диода
Когда обратное напряжение диода достигает определенного критического значения, ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода. Заметим, что пробой сопровождается выходом диода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода, и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в диоде, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Более того, для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом.
Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависти от типа диода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.
Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода: электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. При электрическом пробое число носителей заряда в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки, при тепловом пробое – за счет термической ионизации атомов.
Электрический пробой.
Обычно длина свободного пробег электрона в полупроводнике значительно меньше толщины электронно-дырочного перехода. Если за время свободного пробега электроны успевают набрать достаточную энергию, то возникает ударная ионизация атомов электронами. В результате ударной ионизации наступает лавинное размножение носителей заряда.
Величина напряжения пробоя зависит от рода материала. Когда приложенное напряжение приближается к напряжению пробоя, коэффициент размножения носителей резко возрастает, растет число носителей заряда в переходе, сильно увеличивается ток через переход, наступает лавинный пробой.
При значительных напряженностях электрического поля (порядка 200 кВ/см), возможен туннельный пробой, обусловленный прямым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области, происходящим без изменения энергии электрона.
Практически при электрическом пробое могут иметь место в той или иной степени одновременно оба вида пробоя – туннельный и лавинный.
Величина напряжения пробоя существенно зависит от состояния поверхности перехода, где могут образовываться заряды того или иного знака, которые уменьшают или увеличивают результирующую напряженность поля у поверхности по сравнению ее значением в объеме. В неблагоприятном напряжении пробоя по поверхности может быть в несколько раз ниже, чем по объему. Это еще раз подчеркивает важность стабилизации свойств поверхности полупроводника, защиты ее от воздействий окружающей среды.
Тепловой пробой.
Тепловой пробой диода возникает вследствие перегрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.
В режиме постоянного тока мощность, подводимая к переходу, определяется обратным напряжением и обратным током:
.
Эта мощность идет на разогрев перехода, в результате чего температура перехода возрастает. При этом увеличиваются концентрации носителей заряда в p-n-структуре и обратный ток перехода, что в свою очередь приводит к увеличению подводимой мощности, новому повышению температуры перехода и т. д.
Выделяющееся тепло в переходе рассеивается преимущественно за счет теплопроводности, поэтому отводимая от перехода мощность пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды:
,
где RT – общее тепловое сопротивление диода.
Вольтамперная характеристика диода в режиме теплового пробоя соответствует кривой б на рис.?. Она имеет падающий характер, так как вследствие повышения температуры перехода концентрация носителей заряда в нем сильно увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток перехода.
Емкости диода.
Полупроводниковый диод обладает емкостными свойствами, т.е. способностью накапливать и соответственно отдавать заряд при увеличении или уменьшении приложенного напряжения. Накопление заряда происходит в переходе и базе диода, в соответствии с этим различают две емкости диода - барьерную и диффузионную. При этом:
Барьерная емкость.
Для резкого p+-n-перехода объемный заряд в переходе
При изменении напряжения на переходе изменяется его толщина, а следовательно, и заключенный в переходе нескомпенсированный заряд, что и обусловливает емкостный эффект. Барьерной емкостью (емкостью перехода) называют отношение приращения заряда на переходе dQд к вызвавшему его приращению напряжения du:
(*)
Отсюда следует, что барьерная емкость пропорциональна площади перехода П и возрастает при увеличении концентрации примесей. Кроме того, она зависит от напряжения перехода, т. е. является нелинейной емкостью. Обозначим начальное значение барьерной емкости (при u=0) через
Тогда общее выражение (*) можно записать в виде
(**)
График зависимости Cб/C0=f(u)для диода с резким переходом
представлен на рис (кривая Б). Из рисунка видно, что при увеличении обратного напряжения емкость перехода падает. Упрощенно эту зависимость можно пояснить следующим образом. Полупроводниковая p-n-структура представляет собой как бы электрический конденсатор, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком — электронно-дырочный переход, практически не имеющий подвижных зарядов. При увеличении обратного напряжения толщина перехода возрастает, обкладки конденсатора как бы раздвигаются и емкость его падает.
Соотношение (**) справедливо только для структур с резким переходом. В общем случае зависимость емкости от приложенного напряжения может быть записана в виде
,
где лежит в пределах от 1/2 до 1/3 в зависимости от концентрационного профиля перехода.
Значения С0 в тонких переходах могут доходить до 300—600 пФ, а изменение емкости при изменении напряжения может быть десятикратным.
Диффузионная емкость.
При переходе в область прямых напряжений возрастает не только барьерная емкость диода, но и емкость, обусловленная накоплением неравновесного заряда в р- и n-областях структуры. В несимметричной р+-n-структуре неравновесный заряд, как указывалось, накапливается в базе:
(***)
Связанная с накоплением неравновесного заряда емкость диода называется диффузионной; она характеризует изменение неравновесного заряда в базе dQn при изменении напряжения диода на величину du. Из выражения (***) получаем для
(****)
Эта емкость существенно отличается от обычной электрической емкости тела, характеризующей накопление равновесных зарядов. Диффузионная емкость характеризует накопление неравновесного заряда, при этом разноименные заряды накапливаются в одном и том же объеме, так как одновременно с инжекцией дырок из эмиттерного перехода в базу поступают электроны из вывода базы, чем обеспечивается сохранение электрической нейтральности тела базы. Вследствие процесса рекомбинации накопленный заряд, а следовательно, и диффузионная емкость быстро уменьшаются во времени. Скорость спада зависит от времени жизни неравновесных носителей заряда и толщины базы.
Для режима коротких импульсов, когда , из выражения (****) получаем
Для диода с тонкой базой при получаем
,
где - время диффузии носителей заряда сквозь базу.
Типы электропреобразовательных полупроводниковых диодов и их применение в технике.
В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, обратный пробой дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т. д. В зависимости от вида используемого свойства, т. е. от назначения, различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные (силовые) высокочастотные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы варакторы).
Выпрямительные диоды
Резкую асимметрию вольт-амперной характеристики р-n-перехода широко используют для выпрямления переменного тока низкой частоты. Приборы, предназначенные для этой цели, называются выпрямительными диодами, они являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов.
В выпрямительных диодах электронно-дырочный переход имеет большую площадь, обеспечивающую получение выпрямленных токов требуемой величины. Для изготовления выпрямительных диодов широко используют кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях в ряде случаев выгоднее германиевые диоды, так как они имеют меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевые.
Высокочастотные диоды
Под названием «высокочастотные диоды» объединим целую группу полупроводниковых диодов, предназначенных для обработки высокочастотных сигналов, а именно:
* детекторные диоды, предназначенные для выделения низкочастотного сигнала из модулированного колебания;
* смесительные диоды, используемые для изменения несущей частоты модулированного колебания;
* модуляторные диоды, предназначенные для модуляции высокочастотного колебания, и др.
Для всех этих диодов общим является работа на высоких частотах.
Если на низких частотах ток в цепи диода определяется только активными сопротивлениями электронно-дырочного перехода (Rn),а также р- и n-областей полупроводника (rб), то при работе диода на высоких частотах большую роль играют барьерная и диффузионная емкости. В результате совместного влияния этих емкостей и активного сопротивления rб свойства диода на высоких частотах оказываются совершенно иными, чем на низких частотах, выпрямительный эффект с ростом частоты почти полностью исчезает.
Импульсные диоды.
Полупроводниковые диоды широко используют в качестве ключа, т. е. устройства, имеющего два состояния: «открыто», когда сопротивление прибора очень мало, и «закрыто», когда его сопротивление очень велико. Время перехода диода из одного состояния в другое должно быть по возможности небольшим, так как этим определяется быстродействие аппаратуры. Предназначенные для этой цели диоды называют импульсными или ключевыми.
Полупроводниковые стабилитроны.
Режим электрического пробоя p-n-перехода находит практическое применение для стабилизации напряжения. Такие диоды носят название полупроводниковых стабилитронов. В современных стабилитронах максимальный ток колеблется в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение максимального тока приводит к выходу диода из строя.
Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя р-n-перехода, зависит от концентрации примесей в р-n-структуре и лежит в пределах 4—200 В.
Напряжение стабилитрона в рабочем режиме мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов.
Варикапы.
Варикап — это полупроводниковый диод, применяемый в качестве электрического конденсатора, управляемого напряжением. В варикапе используется зависимость емкости перехода от обратного напряжения.
Благодаря возможности изменения емкости с помощью напряжения варикапы находят применение для настройки высокочастотных колебательных контуров и управления частотой генераторов гармонических колебаний. Промышленностью выпускается для этой цели большой ассортимент варикапов. Существует также разновидность варикапов, специально предназначенных для параметрического усиления колебаний и преобразования несущей частоты. Эти приборы называют варакторами или параметрическими диодами.
Заключение.
Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.
Библиографический список
1. В.А. Батушев «Электронные приборы», М.: Высшая школа, 1990.
2. И.В. Савельев «Курс общей физики», М.: Наука, 1993
3. О.Ф. Кабардин «Физика. Справочные материалы», М.: Просвещение, 1991
4.
* Область, имеющая большую концентрацию основных носителей заряда, отмечают знаком «+» у обозначений типа электропроводности (например, р+).
9