2.2. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод, как прибор, отличается от идеального p-n-перехода особенностями структуры и процессами, протекающими в реальном p-n-переходе.

2.2.1. Общие сведения о технологии изготовления диодов

Полупроводниковые диоды подразделяются на две группы: выпрямительные и специальные. К специальным диодам относятся импульсные, туннельные, кремниевые стабилитроны, варикапы, магнитодиоды, светоизлучающие диоды, фотодиоды и другие.

Общим для всех типов диодов является то, что все они содержат один выпрямляющий p-n-переход.

Конструктивно диоды делятся на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды характеризуются большой площадью p-n-перехода, что позволяет использовать их для выпрямления больших токов.

Точечные диоды имеют малую площадь перехода, малую емкость и могут быть использованы для выпрямления малых токов.

По технологии изготовления диоды подразделяются на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные, что характеризует особенности их строения. Например, плоскостные диффузионные диоды формируются путем плотного соединения кристаллов с р- и n-проводимостью в вакуумной высокотемпературной печи. Созданный таким образом кристалл режут (скрайбируют) на отдельные кристаллики нужного размера, на которые с двух сторон наносят металлические покрытия и припаивают к ним металлические контактные электроды. Технология изготовления эпитаксиальных диодов включает в себя процесс эпитаксии - внедрения примесных атомов в локальные участки полупроводника с помощью специальных методик и применением специальных масок, метода фотолитографии и т. п. [1], [3]- [6].

2.2.2. Понятие о характеристиках идеальных и реальных диодов

Следует различать диод, характеризуемый реальной структурой, особенностями конструкции, от его модели, описывающей свойства и характеристики прибора с определенными допущениями. На практике используют ряд упрощающих идеализированных моделей диодов, которые пригодны для анализа различных режимов работы.

В зависимости от типа и назначения диода в качестве рабочего участка используется прямая или обратная ветвь вольтамперной характеристики p-n-перехода (рис. 2.3).

а) б)

Рис. 2.3. Аппроксимированные ВАХ идеального (а) и ВАХ реального (б) диодов

Идеальный диод. Простейшей моделью электрического (аналогового) ключа, способного пропускать ток только в одном направлении, можно считать идеальный диод, у которого дифференциальным сопротивлением r при прямом включении пренебрегают, а сопротивление R при обратном включении считают бесконечно большим. Аппроксимированная вольтамперная характеристика идеального диода приведена на рис. 2.3, а, линия 1. При более точных аппроксимациях учитывают прямое падение напряжения на открытом диоде и его сопротивление r, так что излом вольтамперной характеристики (а, линия 2) происходит не в начале координат, а в примерной точке +0,7 В для кремниевых и +0,3 В для германиевых диодов, причем прямая ветвь идет под некоторым наклоном к оси тока.

Реальный диод. Качественно вольтамперная характеристика реального диода может быть описана следующим образом. Прямая ветвь ВАХ реального диода показана на рис. 2.3, б. При увеличении напряжения U_а прямого смещения p-n-переход обогащается основными носителями, его сопротивление r падает (рис. 2.3, б, первый квадрант, пунктирная линия), прямой ток I_а почти экспоненциально возрастает по закону (2.7), и при достаточно малых напряжениях U_а (до 1,2 В у кремниевых диодов) на прямо смещенном диоде ток I_а достигает больших значений.

Именно поэтому в паспортных данных задаются максимальная величина допустимого прямого тока I_прmax (рис. 2.3, б) при величине среднего прямого напряжения ∆U_а.

Например, при комнатной температуре для германиевого диода Д7 (рис. 2.5) ∆U_а = 0,5 В (при токе 300 мА); для кремниевого диода 2Д202 (рис. 2.6); ∆U_а = 1 В (при токе 3 мА).

Еще раз подчеркнем, что значение прямого напряжения при допустимых прямых токах находится в пределах ∆U_а = (0,81,2) В у кремниевых диодов и ∆U_а = (0,30,6) В – у германиевых.

В отличие от идеального p-n-перехода, у реального диода (рис. 2.3, б), прямой ток I_а не является чисто экспоненциальной функцией от напряжения, описываемой соотношением (2.7). В целом, прямой ток достигает больших значений уже при небольших прямых напряжениях, поскольку сопротивление r реального диода, включенного в прямом направлении, крайне мало.

Обратная ветвь реального диода показана на рис. 2.3, б. На участке 01 происходит увеличение обратного тока за счет уменьшения тока диффузии до нуля, поэтому единственной составляющей обратного тока остается только ток дрейфа. Обратное сопротивление диода велико. Обратный ток реального диода на участке 1-2 немного зависит от приложенного обратного напряжения. Заметим, что у идеальных p-n-переходов обратный ток не изменяется, так как при неизменной температуре количество неосновных носителей заряда, создающих обратный ток, не зависит от величины обратного напряжения. Однако в реальных диодах существует токи термогенерации, токи утечки [4], поэтому на самом деле участок 1-2 имеет наклон (рис. 2.5, 2.6).

Пробой диода. В отличие от идеального p-n-перехода, увеличение обратного напряжения на реальном диоде (рис. 2.3, б) приводит не только к росту (незначительному) обратного тока (область 1-2) и при определенных напряжениях - к возникновению явления пробоя (область 2-5), при котором обратный ток резко возрастает.

Поэтому параметрами реального диода являются предельно допустимое обратное напряжение U_{обр max} и обратный ток I_обр при заданной температуре кристалла (на обратной ветви вольтамперной характеристики). В паспортных данных приводятся значения обратного тока I_обр при допустимых значениях U_{обр mах}, например, для Д7А: I_обр = 100 мкА (при 50 В); для Д7Ж: I_обр = 100 мкА (при 400 В); для 2Д202В: I_обр = 1 мА (при 100 В); для 2Д202В: I_обр = 1 мА (при 600 В).

Рассмотрим причину возникновения явления пробоя в реальных диодах.

При обратном смещении на обедненной свободными носителями области p-n-перехода реального диода может падать достаточно большое напряжение (у выпрямительных диодов до нескольких сотен вольт) при относительно малом обратном токе I_b (рис. 2.3, б, III квадрант, участок 0-1-2). При превышении некоторого напряжения (напряжение пробоя U_пр) ток I_b начинает возрастать (участок 2-3-4), и, если силу тока не ограничивать внешней цепью, p-n-переход обогащается носителями заряда, концентрация которых растет из-за развития процессов пробоя и генерации дополнительных носителей. Уменьшение сопротивления p-n-перехода приводит к тому, что напряжение на диоде падает (участок 4-5) по мере роста тока. Фактически, участок 4-5 характеризует пробитую (разрушенную тепловым пробоем) структуру диода, и режим участка 4-5 является недопустимым. Именно поэтому в паспортных данных приводится значение предельно допустимого обратного напряжения, равного U_{обр max} = (0,7 - 0,8)U_пр.

Как отмечено, на участке 2-3 (рис. 2.3, б) в диапазоне напряжений от единиц до сотен вольт в зависимости от типа диода проявляется влияние явления дополнительной генерации носителей заряда, которое на участке 3-4 приводит к различным видам электрического пробоя, которым может быть обратимым и необратимым.

Необратимый пробой (например, тепловой) развивается так, что предотвратить разрушение структуры материала невозможно. Обратимый пробой, в отличие от необратимого, может быть прекращен путем уменьшения напряжения на диоде.

Обратимый электрический пробой может быть лавинным или туннельным.

Лавинный пробой развивается следующим образом. При обратном смещении p-n-переход диода имеет значительное сопротивление (мегомы), и все внешнее напряжение приложено к узкой области p-n-перехода. За счет этого в области объемного заряда возникает высокая напряженность электрического поля, и электроны, разгоняясь на длине свободного пробега, приобретают энергию, сравнимую с шириной запрещенной зоны. Таким образом, подвижные неосновные носители заряда (электроны) при соответствующей напряженности электрического поля приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов у собственных атомов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда – электроны и дырки. Новые (неравновесные) электроны, вновь ускоряясь полем, после столкновения с атомами создают дополнительные носители заряда. Возникает так называемая лавина электронов. Описанный процесс носит регенеративный характер. Таким образом, лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей заряда в p-n-переходе в результате ударной ионизации собственных атомов быстрыми носителями заряда.

В основе туннельного пробоя (Зенеровский пробой) лежит туннельный эффект  квантово-механическое явление туннеллирования электронов через потенциальный энергетический барьер p-n-перехода [4]. В полупроводниках это явление проявляется в виде переброса электронов из валентной зоны (энергий) в зону (энергий) проводимости через энергетический барьер  запрещенную зону (энергий).

Ранее отмечалось (см. п. 1.1), что генерация электронно-дырочных пар может происходить за счет нагрева материала, однако возможно образование свободных электронов и дырок и за счет туннельного эффекта. Этот процесс можно интерпретировать как непосредственный отрыв электронов, имеющих значения энергии уровней валентной зоны (рис. 1.1), т.е. находящихся в атомах кристаллической решетки полупроводника, под действием сильного электрического поля. Этот процесс реализуется в той части полупроводника, где возникает большое электрическое поле, а именно - в высокоомной области объемного заряда обратно смещенного р-n-перехода. Образующиеся при туннельном пробое электроны увеличивают обратный ток через p-n-переход.

Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми процессами. Это означает, что в определенном интервале токов, протекающих через диод, пробой не приводит к повреждению диода, и при снижении напряжения пробой прекращается.

Для диодов, не характеризующихся туннельным или лавинным пробоем, увеличение обратного напряжения (обычно  сотни вольт) приводит к развитию необратимого теплового пробоя из-за джоулевского разогрева кристалла возрастающим обратным током. Участок 4-5 вольтамперной характеристики диода (рис. 2.3, б) соответствует именно тепловому пробою, который возникает при недопустимом повышении температуры материала. Процесс развивается лавинообразно, так как увеличение числа носителей заряда за счет увеличения температуры вызывает дополнительное увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев p-n-перехода. Подобный процесс заканчивается расплавлением p-n-перехода и выходом прибора из строя.

Тепловой пробой может произойти и при лавинном или туннельном пробое вследствие протекания недопустимо большого тока в результате перегрева отдельного участка p-n-перехода (рис. 2.3, б, участок 4-5).