5.Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

Аналитически ток через р-п-переход при подключении внешнего напряжения (минус на п-область, плюс – на р-область) в прямом направлении определяется выражением:

где - диффузионный ток через р-п-переход при нулевом внешнем напряжении, обусловленный диффузией электронов из п-области в р-область и диффузией дырок из р-области в п-область, при этом

где - тепловой ток через р-п-переход, обусловленный переходом электронов из п-области в р-область и дырок из р-области в п-область;

- начальный ток;

• - ширины запрещенной зоны в полупроводнике;

- температурный потенциал;

• - заряд электрона;

- постоянная Больцмана;

- абсолютная температура.

При обратном подключении внешнего напряжения имеем:

Из этих выражений видна значительная зависимость тока через р-п-переход от температуры.

Примерный вид вольт-амперной характеристики р-п-перехода приведен на рисунке.

Тема 3. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это двухэлектродный полупроводниковый прибор с выпрямляющим электрическим переходом. В качестве выпрямляюще­го электрического перехода применяют р-п-переход, гетеропереход или выпрям­ляющий контакт металла с полупроводником.

1. Устройство полупроводниковых диодов

Подавляющее большинство полупроводниковых диодов представляет собой струк­туру, состоящую из областей п-типа и р-типа, имеющих различную концентра­цию примеси и разделенных электронно-дырочным переходом. Область с высо­кой концентрацией примеси (порядка 10¹⁸ см^-3) называют эмиттером, область с низкой концентрацией примеси (порядка 10¹⁴-10¹⁶ см^-3) называют базой.

Суще­ствуют различные методы создания электронно-дырочных структур:

1. Метод вплавления. При изготовлении р-п-структуры методом вплавления в кристалл германия со слабо выраженной электронной электропроводностью вплавляют таблетку индия, галлия или бора. В процессе термической обработки таблетка и прилегающий к ней слой германия расплавляются, и германий растворяется в расплавленной при­меси. После остывания на поверхности кристалла образуется тонкий слой герма­ния с резко выраженной дырочной проводимостью. Электронно-дырочный пере­ход в этом случае получается резким.

2. Диффузионный метод. При изготовлении диода диффузионным методом на поверхности кремниевой пластины со слабо выраженной электронной электропроводностью методом ваку­умного напыления создают слой алюминия. В процессе термической обработки атомы алюминия диффундируют вглубь кристалла, в результате чего образуется слой с дырочной проводимостью. Особенностью диодов, полученных этим спо­собом, является то, что концентрация введенной примеси уменьшается с глубиной, поэтому р-п-переход получается плавным.

3. Метод эпитаксиального наращивания. При изготовлении диодов методом эпитаксиального наращивания на кремниевую пластину с определенным типом электропроводности осаждают атомы кремния из паров хлорида кремния, содержащего донорную или акцепторную примесь. Осаждающиеся атомы повторяют кристаллическую структуру кремниевой плас­тины, в результате чего образуется монокристалл, одна часть которого имеет элек­тронную проводимость, другая — дырочную.

4. Точечный метод. Существуют также точечные диоды, у которых в хорошо отшлифованную пласти­ну германия или кремния с электронной электропроводностью упирается металли­ческая игла. В процессе производства контакт иглы с полупроводником подвер­гают электрической формовке, которая заключается в пропускании через контакт мощных импульсов тока. При этом происходит местный разогрев контакта, и кон­чик иглы сплавляется с полупроводником, что обеспечивает стабильность и меха­ническую прочность контакта. Кроме того, в процессе формовки часть материала иглы диффундирует в полупроводник, образуя под точечным контактом полусфе­рическую область с дырочной электропроводностью.

Независимо от способа изготовления полупроводникового диода концентрация примеси в базе всегда меньше, чем в эмиттере, поэтому электронно-дырочный переход оказывается сдвинутыми в область базы, то есть является несимметрич­ным. Вследствие низкой концентрации примеси база обладает значительным со­противлением . Ширина базы во многих случаях оказывается меньше диф­фузионной длины дырок .

На рис. 3.1 показана р-п-структура, изготовленная по комбинированной техноло­гии, широко используемой при производстве интегральных схем.

На кремниевой подложке п⁺-типа выращивают эпитаксиальный слой п-типа. Затем поверхность выращенного слоя окисляют, в результате чего образуется слой толщиной около 1 мкм, в котором создают окна и через них методом диффузии вводят акцеп­торную примесь, изменяющую тип электропроводности выращенного кристалла. В результате образуется р⁺-слой с высокой концентрацией примеси, отделенный от п-области электронно-дырочным переходом. Затем осуществляют омические контакты с п⁺- и р⁺-областями путем напыления алюминия. В процессе изготовле­ния на кремниевой пластине создается большое количество одинаковых р-п-структур. Такую пластину разделяют на отдельные кристаллики, каждый из которых монтируют в герметичном металлическом, пластмассовом или стеклянном корпусе, защищающем кристалл от воздействия окружающей среды, а базу и эмиттер через омические контакты соединяют с внешними выводами.