4.5.Полупроводниковый p-n переход и полупроводниковые выпрямительные диоды

Полупроводниковые диоды относятся к обширному классу полупроводниковых приборов, применяющихся при построении электронных информационных систем, а также в устройствах управления, измерения и радиотехники.

Слово “диод” образовано от греческих слов “ди”-два и сокращенного “(электр)од”. Упрощенная структура и условное графическое обозначение диода, приведены на рис. 3.1. Основой всех типов диодов, изготавливаемых промышленностью, является p-n переход, поэтому рассмотрим физические принципы его работы.

Полупроводниковым переходом называют тонкий слой между n и p полупроводниками. N область перехода, легированная донорной примесью, имеет электронную прово­димость. P область, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость. Концентрация электронов в

одной части и концентрация дырок в другой различаются более, чем на три порядка. В настоящее время в качестве базы полупроводниковых приборов наиболее широко используется весьма чистый кремний, по свойствам приближающийся к изолятору.

Рис. 4.1

Для образования направленного тока через переход к базе Добавление донорной примеси более в 10³ большей, чем акцепторной примеси в области этому Кроме того, в обеих областях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Для p-n-переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает. Плоская структура p-n-перехода показана на рис. 3.1, а.

Электроны в n области диффундируют в p область и там рекомбинируют с дырками до тех пор, пока не установится динамическое равновесие. Аналогично, дырки из p области перемещаются в n область. В результате встречного движения противоположных ионов возни­кает так называемый диффузионный ток. Оно достигается вследствие образования у металлургического контакта некомпенсированного отрицательного заряда акцепторных атомов (дырки, компенсировавшие этот заряд, рекомбинировали). Точно такой же, но положительный заряд возникает в слое n из-за ушедших электронов. Область объемных зарядов, имеющую весьма малую концентрацию носителей заряда, называют обедненным слоем. Распределение плотности объемного заряда в переходе при­ведено на рис. 3.2.

Внутри кристалла на границе раздела возникает собственное элект­рическое поле Е_собств, направление которого показано на рис. 3.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное из­менение знака объемного заряда (металлургический контакт). На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным. Поле на границе p-n перехода определяется тепловым потенциалом:

,

где k=1,38*10^-24 Дж/К – постоянная Больцмана; q=1,6*10^-19 Кл – заряд электрона; Т – термодинамическая температура. При комнатной температуре =25,5 мВ.

Рис. 3.2

Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-п переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n переходе поле, совпадающее по направлению с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается. При обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов (для кремниевых структур это примерно 0,4 В), то потенциальный барьер исчезает полностью и при образовании замкнутой внешней цепи через переход пойдёт ток

Вольтамперная характеристика р-n-перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем приложенного напряжения. Если оно снижает потенциальный барьер, то его называют прямым, а если повышает — обратным. Приложение прямого напряжения к p-n-переходу показано на рис. 3.1, б.

При прямом смещении p-n-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя p-n-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которого они являются неосновными носителями. При этом концентрация неосновных носителей может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей.

Обратный ток через p-n-переход вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника.

Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Итак, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается I­_обр­=I_s

При протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную область будет происходить инжекция электронов, а из дырочной области будет осуществляться инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

, (3.1)

где U— напряжение на p-n-переходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока (3.1) и тока проводимости:

. (3.2)

Уравнение (3.2) называется уравнением Молла —Эберса, а соответствующая ему вольтамперная характеристика p-n-перехода приведена на рис. 3.3. Так как при T=300 К тепловой потенциал равен U_T=25мВ, то уже при напряжении U=0,1 В можно считать, что ток

.

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной раз­ности потенциалов (0,4-0,7 для Si). Допустимые (предельные) температуры для Si – до 120 °С. Об­ратное напряжение ограни­чивается пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возникает за счет лавинного размножения не основных но­сителей и называется лавин­ным пробоем. При лавинном пробое p-n-перехода ток че­рез переход сильно возрастает при неизменном напряжении на нем, как по­казано на рис. 3.3.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямитель­ные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления пе­ременного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на низкочастотные, импульсные и высокочастотные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов: явле­ние пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивле­нием и т.д. (см. ниже)

Выпрямительные диоды большой мощности называют "силовыми”. Материа­лом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металли­ческой подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенид галлиевые диоды способны работать в диапазоне частот до не­скольких МГц.

Основные параметры диодов: обратное напряжение U_обр, напряжение отпирания диодов U_отп, прямой допустимый ток I_пр, импульсный допустимый прямой ток I_{пр имп}, (см. рис. 3.3, б). Для разных типов выпрямительных диодов максимальное, не приводящее к пробою, обратное напряжение U_{обр max} лежит в пределах от десятков до нескольких тысяч вольт, средний прямой ток I_пр.ср – в пределах от единиц миллиампер до нескольких десятков ампер, а обратный ток I_обр – от десятков наноампер до сотен миллиампер. Время восстановления обратного сопротивления диода t_вос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно опре­деляется при переключении диода с заданного прямого тока I_пр на заданное об­ратное напряжение U_обр.

Диоды, предназначенные для работы в импульсном режиме, дополнительно характеризуется максимально допустимым прямым током I_пр.имп при заданной длительности импульса (обычно несколько десятков микросекунд). Как правило, этот ток на порядок превосходит средний прямой ток.

Когда обратное напряжение превышает максимальное значение U_обр.max, определяемое для каждого типа диода, возникает пробой p-n-перехода: сначала туннельный и лавинный, а потом тепловой. Первые два типа пробоя являются обратимыми, т.е. после снятия напряжения свойства p-n-перехода восстанавливаются, а третий тип (необратимый) приводит к порче диода и поэтому недопустим.

Рис. 3.3, б