Лабораторная работа 4 исследование ёмкостных свойств полупроводниковых диодов

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: планшет с электронной схемой колебательного контура с варикапом, генератор гармонических колебаний типа ГЗ-112, осциллограф типа С1-107, источник питания.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование зависимости барьерной ёмкости варикапа от обратного напряжения. Изучение концентрационного профиля р-n-перехода.

ТЕОРИЯ

Варикап – полупроводниковый диод, применяемый в качестве электрического конденсатора, управляемого напряжением. В варикапе используется зависимость емкости р-n-перехода от величины обратного напряжения.

Емкостные свойства плоскостного диода обусловлены наличием внутреннего электрического поля в р-n-переходе. Рассмотрим причины образования этого поля. Пусть концентрация акцепторной N_a и донорной примесей N_d на границе областей р и n изменяется скачком (резкий р-n-переход). На границе электронной и дырочной областей существует градиент концентрации носителей заряда, вызывающий диффузионный ток: дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область. Диффузионный перенос заряженных частиц сопровождается нарушением электрической нейтральности полупроводника в непосредственной близости от границы областей: в р-области вследствие ухода дырок возникает нескомпенсированный отрицательный заряд, а в n-области вследствие ухода электронов – положительный заряд (рис. 1). При отсутствии внешнего поля диффузионный ток в переходе должен уравновешиваться встречным дрейфовым током, обусловленным собственным электрическим полем в переходе.

Рис. 1

Из области перехода подвижные носители заряда выталкиваются сильным электрическим полем. Поэтому их концентрация по мере продвижения вглубь перехода резко падает. По этой причине р-п-переход называют обеднённым слоем. Поскольку из-за действия сильного электрического поля концентрация подвижных зарядов в переходе значительно ниже концентрации неподвижных зарядов, можно считать, что нескомпенсированный заряд в переходе определяется концентрацией доноров и акцепторов.

Из равенства суммарных зарядов на каждом из граничных участков следует соотношение для глубин проникновения областей объемного заряда

, (1)

где d_n и d_p – глубины проникновения области объемного заряда в n и p области p-n-перехода.

Общая толщина резкого электронно-дырочного перехода d=d_n+d_p определяется соотношением

, (2)

где φ_к – контактная разность потенциалов р-n-перехода. Вне р-n-перехода, то есть в толще областей p и n электрического поля нет: в области n положительные заряды доноров скомпенсированы зарядами свободных электронов, а в области р отрицательные заряды акцепторов скомпенсированы зарядами дырок.

Рассмотрим явления, происходящие в диоде, к которому приложена разность потенциалов от внешнего источника смещения. Смещение, при котором плюс источника подсоединен к n-области, а минус – к p-области (рис. 2), называют обратным.

Рис. 2

После замыкания ключа к омическим контактам диода по внешней цепи притекают заряды, создающие в объеме диода электрическое поле Е_ВН. Это поле вызывает дрейф основных носителей тока в направлениях, указанных стрелками на рис. 2, а. Таким образом, вся масса электронов n-области и дырок р-областей отходит от р-n-перехода, обнажая при этом новые слои ионизированных доноров и акцепторов, то есть расширяя область объемного заряда до размеров .

Перетекание электронов и дырок к омическим контактам происходит до тех пор, пока они практически полностью не скомпенсируют заряды, созданные внешним источником э.д.с. После этого всё приложенное напряжение U падает на р-n-переходе, сопротивление которого на много порядков выше сопротивления р- и n-областей и омических контактов. Высота потенциального барьера р-n-перехода при этом увеличивается до значения φ_k+U.

При прямом смещении, когда плюс источника напряжения подсоединяется к p-области, а минус – к n-области (рис. 3), возникающее в объеме n- и p-областей

p n

Рис. 3

электрическое поле вызывает приток основных носителей к области объемного заряда р-n-перехода. Этот процесс продолжается до тех пор, пока контактная разность потенциалов на р-п-переходе не уменьшится до значения φ_k–U.

Таким образом, когда к диоду прикладывается внешняя разность потенциалов, во внешней цепи в первый момент времени возникает импульс тока, обеспечивающий в конечном счете увеличение или уменьшение объемных зарядов у границ р-п-перехода. Поэтому переход ведет себя подобно емкости. Эту емкость называют барьерной (или зарядовой), так как она связана с изменением высоты потенциального барьера между р- и n-областями. Ее величина составляет

, (3)

где dQ – изменение заряда р-n-перехода, а dU – соответствующее изменение разности потенциалов. Из рис. 2 и 3 видно, что плоский р-n-переход подобен плоскому конденсатору. Поэтому значение барьерной емкости можно определить по формуле для плоского конденсатора:

(4)

где S – площадь р-n-перехода; ε – диэлектрическая проницаемость полупроводника; d – толщина слоя объемного заряда, игравшая роль расстояния между обкладками конденсатора. Отличие от обычного конденсатора здесь состоит в том, что d в выражении (4) не является величиной постоянной, а зависит от внешнего смещения:

. (5)

Таким образом, барьерная емкость р-п-перехода является нелинейной. Это означает, что выражение (4) можно применять лишь для малых сигналов, не изменяющих существенно значения <2 . Такой сигнал может быть, в частности, наложен на постоянное внешнее смещение.

Подставив (5) в (4) получим

. (6)

Выражение (6) получено для резкого р-п-перехода. Для плавного (диффузионного) перехода изменение концентрации примеси в переходе протекает плавно. Считая, что это изменение происходит по линейному закону (рис. 4), для толщины слоя объемного заряда

Рис. 4

получается следующее соотношение:

, (7)

где а – коэффициент пропорциональности в выражении линейного закона изменения концентрации нескомпенсированной примеси N_a–N_d в переходе:

. (8)

Для таких переходов барьерная емкость равна

. (9)

Обратный ток запертого полупроводникового диода мал, т.е. мала проводимость, шунтирующая барьерную емкость, поэтому добротность барьерной емкости может быть высокой.

При переходе в область прямых направлений возрастает не только барьерная емкость диода, но и емкость, обусловленная накоплением заряда неравновесных носителей в p- и n-областях структуры, называемая диффузионной. При прямом смещении происходит икжекция дырок из р- в n-область и инжекция электронов из n- в р-область. Одновременно из внешней цепи через омический контакт поступает такое же количество электронов, чем обеспечивается сохранение электрической нейтральности этой области. Таким образом, в n-области появляется накопленный положительный заряд неравновесных дырок и равный ему по абсолютной величине отрицательный заряд электронов. При изменении величины прямого смещения оба эти заряда изменяются, оставаясь равными друг другу по абсолютной величине. Если же переход заперт и ток не течёт, то оба эти заряда равны нулю. Аналогичные процессы происходят и в р-области. Таким образом, при протекании прямого тока появляется диффузионная емкость, обусловленная накоплением заряда в областях р и n и изменением этих зарядов при изменении смещения. Диффузионная емкость нелинейна: она резко возрастает при увеличении прямого напряжения. Диффузионная емкость шунтирована малым прямым сопротивлением отпертого перехода, поэтому ее добротность мала (для диода она всегда меньше единицы). Из-за низкой добротности, а также других недостатков (сильная зависимость от температуры, высокий уровень шумов) диффузионная емкость почти не используется в электронных схемах.