Постникова ВН - ЛК весна 2021 / Пробой и емкость диода

Пробой диода (p-n перехода)

Рис. 1. Теоретическая и реальная вольтамперная характеристика p-n перехода.

На графике прямой ветви реальной вольтамперной характеристики видно, что сопротивление открытого диода больше сопротивления, определяемого по теоретической кривой. Это связано с влиянием объёмного сопротивления n- и p-областей полупроводника. При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением I_пр._max при заданных условиях охлаждения.

Обратная ветвь отличается от теоретической характеристики по двум причинам: генерация носителей зарядов в переходе и его электрический пробой.

Количество носителей заряда, генерируемых в электронно-дырочном переходе, пропорционально объему запирающего слоя. Он, в свою очередь, зависит от ширины p-n перехода, но так как она пропорциональна , то ток генерации свободных зарядов I_ген будет расти при увеличении обратного напряжения. Поэтому при увеличении обратного напряжения на вольтамперной характеристике реального диода наблюдается небольшой рост обратного тока. Кроме того, обратный ток диода увеличивается из-за тока утечки по поверхности кристалла.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине U_проб начнется его быстрое увеличение (рис. 1), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

Тепловой пробой. Если количество тепла, выделяющегося в р-n-переходе, превышает количество тепла, отводимого от него, то разогрев перехода приводит к росту процесса генерации носителей и, следовательно, к увеличению силы тока, текущего через переход, что в свою очередь ведет к дальнейшему повышению температуры и т. д. В итоге такого лавинообразно развивающегося перегрева сила тока продолжает возрастать и наступает разрушение материала полупроводника. Тепловой пробой может возникнуть самостоятельно, но может оказаться и следствием развивающегося электрического пробоя. Поэтому обычно в цепь р-n-перехода последовательно включают ограничительный резистор, сопротивление которого подбирается так, чтобы сила тока не превосходила допустимого значения.

Поверхностный пробой. Лавинный или туннельный электрический пробой p-n-перехода может происходить не только в объеме полупроводника, но и по его поверхности. На поверхностный пробой значительное влияние может оказать искажение электрического поля в p-n-переходе поверхностными зарядами. Наличие поверхностного заряда связано с обрывом кристаллической решетки и с наличием в ней дефектов и примесей (особенно адсорбированных молекул воды). В определенных случаях поверхностный заряд приводит к сужению запорного слоя у поверхности и увеличению в приповерхностной области напряженности поля, благодаря этому пробой у поверхности начинается при меньших значениях обратного напряжения смещения, чем в объеме. Для уменьшения вероятности поверхностного пробоя применяют различные защитные покрытия, предотвращающие проникновение на поверхность p-n-перехода влаги и различных активных примесей.

Существуют два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой возникает в широких p-n переходах, образованных полупроводниками с небольшой концентрацией примесей. Он возникает тогда, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины p-n перехода. За время свободного пробега электроны приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решетки полупроводника в p-n переходе. Образовавшаяся при этом пара свободных носителей заряда “электрон – дырка” тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока.

Туннельный пробой своим происхождением обязан так называемому туннельному эффекту. Возникает этот эффект благодаря непосредственному воздействию сильного электрического поля на атомы кристаллической решетки полупроводника в р-n-переходе. Под действием этого поля происходит разрыв валентной связи и электрон становится свободным носителем, переходя в межузельное пространство и оставляя на своем месте дырку. Зонная схема туннельного пробоя приведена на рисунке 2. Электроны из валентной зоны p-полупроводника переходят, не изменяя свою энергию, в зону проводимости полупроводника n-типа, пересекая запрещенную зону р-n-перехода. Необходимым условием туннельного перехода является незанятость в зоне проводимости n-полупроводника энергетического уровня, соответствующего энергии переходящего из р-области электрона.

Рис. 2. Зонная диаграмма тунельного пробоя.

Туннельный пробой наблюдается в узких р-n-переходах, которые могут быть созданы только на границе раздела высоколегированных областей (высокая концентрация примесей). Для того чтобы вызвать туннельный пробой, необходимо создать поле с напряженностью порядка 10⁵-10⁶ В/см. Поскольку туннельный пробой возникает только в узких переходах порядка 10^-5-10^-6 см, то для получения пробивных значений напряженности поля оказывается достаточной обратная разность потенциалов всего в несколько вольт.

Так как свойства p-n-перехода после электрического пробоя (лавинного или туннельного) восстанавливаются при выключении обратного напряжения, то в технике во многих случаях p-n-переход используется именно в режиме пробоя (полупроводниковые стабилитроны, туннельные обращенные диоды и пр.).

Емкость диода (p-n перехода)

Изменение внешнего напряжения на p-n переходе dU приводит к изменению заряда на границе p-n перехода. Т.е. p-n переход ведет себя как конденсатор, емкость которого С=dQ/dU.

В зависимости от природы заряда различают две емкости: барьерная и диффузионная.

Барьерная ёмкость определяется нескомпенсированными зарядами ионов примеси вблизи p-n перехода и изменяется при изменении его толщины под воздействием запирающего напряжения. Идеальный p-n переход при анализе можно представить в виде плоского конденсатора, емкость которого вычисляется при помощи следующей формулы:

С_бар = ε_оεS/d,

где d – толщина запирающего слоя.

С ростом обратного напряжения ширина запирающего слоя увеличивается и, следовательно барьерная емкость уменьшается.

Рис. 3. Зависимость барьерной ёмкости от напряжения

Зависимость барьерной ёмкости от напряжения широко используется в радиоэлектронной технике. Изготавливаются специальные электронные приборы: варикапы, основным свойством которых является изменение ёмкости от напряжения. Это свойство используется в генераторах, управляемых напряжением и частотных модуляторах.

В других электронных приборах, таких как выпрямительные диоды, биполярные и полевые транзисторы, барьерная ёмкость p-n перехода является фактором, ограничивающим частотный диапазон прибора, и её стараются уменьшать. Барьерная емкость увеличивается при увеличении концентрации примеси N_А и N_Д, и уменьшается при уменьшении концентрации.

Диффузионная емкость. Прямое включение p-n перехода приводит к тому, что значительное количество основных носителей заряда диффузионно переходят в соседнюю область, т.к. потенциальный барьер на границе снижается. Растет ток диффузии. При этом ток дрейфа не изменяется, т.к. он зависит только от количества неосновных носителей заряда на границе p-n перехода. Дополнительная диффузия приводит к введению неосновных носителей заряда в соответствующие области: электронов в p область и дырок в n область полупроводника.

Повышение концентрации неосновных носителей заряда в p- и n-областях при прямом включении напряжения называется инжекцией.

При протекании диффузионного тока через p-n переход, при подаче напряжения в прямом направлении, растет концентрация неосновных носителей заряда, инжектированных в p- и n-области.

Это приводит к накоплению заряда вблизи p-n перехода. Это явление можно рассматривать как появление дополнительной емкости, а так как она образуется диффузионным током, то эта ёмкость получила название диффузионной.

Рис. 4. Зависимость диффузионной ёмкости от напряжения

Полная емкость p-n перехода определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей:

C_пер = C_бар + C_диф

При прямом включении p-n перехода преобладает диффузионная емкость, а при обратном — барьерная.

Если сравнивать C_бар << C_диф

диффузионная емкость

Емкость p-n перехода оказывает серьезное влияние на быстродействие полупроводниковых приборов. С этой точки зрения контакт металл полупроводник выгодно отличается от p-n контакта. Для создания выпрямляющего контакта между металлом и полупроводником n-типа должно выполняться условие W_мет W_п/п . В таком контакте инжекция неосновных носителей отсутствует, так как прямой ток – это движение основных носителей заряда - электронов. Поэтому такой контакт обладает только барьерной емкостью. Такие полупроводниковые приборы обладают высоким быстродействием, так как нет накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.

Диоды высокого качества получают при контакте кремния с молибденом, золотом, платиной и нихромом.