Книга: Исследование полупроводниковых приборов

Заряды p-n-перехода образуются не только за счет ионов примесей, но и за счет некоторого числа носителей, поступивших из соседнего слоя. Количество свободных носителей невелико. В рассматриваемом случае концентрация доноров значительно выше концентрации акцепторов, в то же время полные заряды в обеих частях перехода одинаковы, поэтому область отрицательного заряда в р-слое будет гораздо шире, чем область положительного заряда в n-слое. Следовательно, несимметричный переход сосредоточен в основном в высокоомном слое.

Заряды p-n-перехода создают внутреннее поле, которое препятствует перемещению основных носителей 1 и 2. Под действием внутреннего поля перемещаются неосновные носители 3 и 4, которые создают ток дрейфа. Внутреннее поле создает на границе слоев потенциальный барьер, который принято изображать для электронов. Для перехода электрона 1 из n-слоя в p-слой электрону необходимо сообщить потенциал j_pn ,который для кремниевых p-n-переходов составляет величину 0,6–0,7 В, а для германиевых – 0,2–0,3 В. При отсутствии внешнего напряжения через переход протекают токи диффузии и дрейфа, которые равны по величине. Ширина p-n-перехода зависит от материала полупроводника, концентрации электронов и дырок, температуры.

2. Подключение p-n-перехода к внешнему напряжению.

Подключение внешнего напряжения позволяет изменить ширину p-n-перехода и высоту потенциального барьера. Различают прямое и обратное включение p-n-перехода. Схема прямого включения приведена на рис.3. Источник Е_пр действует встречно внутреннему полю, поэтому уменьшаются ширина p-n-перехода и высота потенциального барьера. Основные носители электроны получают возможность для диффузии из n-слоя в p-слой.

Рис.3. Прямое включение p-n-перехода

Пусть электроны 1, 2, 3 совершают диффузию в p-слой, который на мгновение теряет электрическую нейтральность, приобретая избыточный отрицательный заряд. Между p-слоем и его выводом возникает электрическое поле, которое выбрасывает во внешнюю цепь электроны 4, 5, 6 из ближайших орбит парно-электронных связей полупроводника p-типа. Далее электроны 1¢, 2¢, 3¢ начинают диффузионное перемещение по дыркам вправо к правому контакту.

Во время диффузии электронов 1, 2, 3 n-слой также теряет электрическую нейтральность, приобретая избыточный положительный заряд. Между n-слоем и его выводом возникает электрическое поле, которое втягивает из внешней цепи электроны 7, 8, 9. В результате у левого и правого контакта, а также через структуру протекает прямой ток. Величина прямого тока определяется площадью p-n-перехода и зависит от приложенного прямого напряжения и ограничивающего сопротивления.

Рис.4. Обратное включение p-n-перехода

Схема обратного включения p-n-перехода приведена на рис.4. Под действием обратного напряжения происходит отток основных носителей 1 и 2 от границ перехода, поэтому p-n-переход расширяется. Для основных носителей создается сильное тормозящее поле, поэтому диффузия носителей невозможна. Поле, действующее на переходе, является ускоряющим для неосновных носителей, поэтому происходит дрейф носителей. Ток дрейфа имеет три составляющие: ток термогенерации, тепловой ток, ток утечки.

Ток термогенерации создается неосновными носителями 5 и 6, которые генерированы в области перехода, и зависит от температуры I_тг (Т) = I_тг (Т₀ )×е^{a D Т} , где Т₀ – начальное значение температуры (25⁰ С); Т – текущее значение температуры; DТ – изменение температуры; a – температурный коэффициент. Ток термогенерации преобладает у кремниевых диодов, которые имеют бóльшую ширину p-n-перехода по сравнению с германиевыми диодами.

Тепловой ток создается неосновными носителями 3 и 4, которые генерированы в слоях полупроводника, прилегающих к переходу. Тепловой ток преобладает у германиевых p-n-переходов. Он зависит от температуры I_т (Т) = I_т (Т₀ )×е^{a D Т} . Существует эмпирическое правило для оценки токов, зависящих от температуры: при возрастании температуры на 10⁰ С обратный ток возрастает в 2 раза.

Ток утечки создается неосновными носителями, которые генерируются на поверхности слоев. Этот ток не зависит от температуры, т.к. определяется состоянием поверхности кристалла полупроводника. Основной особенностью тока утечки является нестабильность во времени, которая называется ползучестью.

Суммарное значение тока неосновных носителей при температуре до 40⁰ С много меньше тока диффузии: I_пр /I_обр = 10⁴ – 10⁵ . Из этого соотношения следует, что несимметричный ступенчатый p-n-переход обладает вентильными свойствами.

3. Вольтамперная характеристика p-n-перехода.

Вольтамперная характеристика p-n-перехода приведена на рис.5, где прямая и обратная ветви изображены в разных масштабах. Участки прямой характеристики: 0–А, А–В, В–С. На участке 0–А прямой ток не протекает из-за тормозящего действия потенциального барьера на p-n-переходе. На участке А–В ток возрастает, т.к. часть электронов преодолевает потенциальный барьер. На участке А–В изменение тока носит нелинейный характер. На участке В–С действие потенциального барьера незначительное, т.к. большая часть электронов имеет энергию достаточную для диффузии из n-слоя в p. Участок В–С является линейным и рабочим для p-n-перехода. На нем при незначительном увеличении напряжения ток резко возрастает. Рассмотренный закон изменения прямого тока связан с различными скоростями электронов, а именно, число электронов с большими скоростями мало, а с малыми скоростями – велико.

Рис.5. Вольтамперная характеристика ступенчатого p-n-перехода

На участке 0–D обратный ток резко возрастает при незначительном увеличении обратного напряжения. Это связано с тем, что при заданной температуре в структуре образуются тепловой ток и ток термогенерации. На участке D–E при значительном увеличении напряжения происходит незначительное увеличение тока. Этот участок носит приблизительно линейный характер, т.к. ток термогенерации зависит от обратного напряжения по закону I_тг º, а ток утечки пропорционален обратному напряжению. В точке Е происходит пробой p-n-перехода. Если материал полупроводника – кремний, то в точке Е происходит резкий переход на участок пробоя.

При спрямлении рабочего участка В–С на оси напряжений определяется пороговое напряжение U_пор (рис.6). Величина этого напряжения зависит от материала полупроводника и составляет величину 0,2–0,6 В.

Величина рабочего напряжения, которое прикладывается к переходу, составляет десятки и сотни вольт, поэтому имеет смысл рассмотреть вольтамперную характеристику в одинаковых масштабах для напряжения и для тока. При этом прямая вольтамперная характеристика сливается с осью тока (рис.7). На рис.7 масштабы по току и напряжению одинаковые для прямого и обратного включения. Обратная ветвь сливается с осью напряжений до участка пробоя. Итак, согласно рис.7, вольтамперная характеристика несимметричного ступенчатого p-n-перехода представляет собой характеристику идеального вентиля, а p-n-переход применяется в выпрямительных диодах.

Диффузия электронов при прямом включении носит характер впрыскивания, или инжекции. Инжектирующий слой, имеющий относительно малое удельное сопротивление, называется эмиттером. В рассмотренном примере эмиттер – n-слой. Эмиттер имеет малое удельное сопротивление из-за повышенной концентрации основных носителей по сравнению с p-слоем. Второй слой, в который происходит инжекция, называется базой. База имеет относительно большое удельное сопротивление из-за пониженной концентрации примесей по сравнению с эмиттером.

В слове диод «ди» означает наличие двух выводов или двух электродов полупроводникового прибора. Разновидности диодов:

1) плоскостные выпрямительные;

2) точечные выпрямительные;

3) диоды Шоттки;