1. Полупроводниковые приборы

1.1. Полупроводниковые диоды

1.1.1. Устройство и классификация полупроводниковых диодов

Полупроводниковыми диодами называют электропреобразовательные полупроводниковые приборы с одним электрическим переходом, имеющие два вывода. К двум полупроводниковым областям, образующим переход, привариваются металлические выводы, а вся система помещается в стеклянный, металлический, пластиковый корпус или опрессовывается смолой (рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1. Устройство бескорпусного диффузионного диода: 1. p-Si 2. n-Si 6. Вывод 7. Омический контакт 8. Смола 9. Плёнка

Одна из полупроводниковых областей, образующих p-n переход, имеет более высокую концентрацию примесей и образует эмиттер, а вторая полупроводниковая область, обедненная основными носителями, образует базу.

Например, для диода, представленного на рис. 1.1.2., p-область является эмиттером, а n-область - базой, т.к. , где - концентрация дырок в полупроводнике p-типа, - концентрация акцепторных примесей; - концентрация электронов в полупроводнике n-типа, - концентрация донорных примесей.

Рис. 1.1.2. Схема включения полупроводникового диода

и пространственное распределение объемных зарядов p-n-перехода при отсутствии внешних напряжений

Большинство полупроводниковых диодов выполняется на основе несимметричных электронно-дырочных переходов как типа p-n так и n-p. Используются также другие типы переходов: металл-полупроводник, переходы p-i и n-i типа и другие.

Различают плоскостные и точечные диоды. Первые получают сплавным или диффузионным методом. Точечные (площадь перехода значительно меньше) - изготавливают методом вплавления в базу диода металлической проволоки с одновременной присадкой легирующего вещества.

Для классификации диодов используются различные признаки: метод изготовления, тип p-n-перехода и т.д. Классифицируют диоды также по основному материалу из которого они изготавливаются: кремниевые, германиевые, из арсенида галлия и др. Однако одним из основных признаков классификации служит назначение прибора: выпрямительные диоды, детекторные, преобразовательные, переключательные, стабилизаторы напряжения (стабилитроны), параметрические диоды и др. Выделяют также диоды по физическим процессам: лавиннопролетный диод, туннельный диод, фотодиод, светодиод и др.

1.1.2. Физические процессы в p-n-переходе

Рассмотрим физические процессы, протекающие в p-n-переходе, для диода, представленного на рис. 1.1.2, т.е., когда p-область является эмиттером, n-область – базой.

Между концентрациями электронов и дырок в полупроводниках существует соотношение , где есть концентрации собственных носителей кристалла. Поэтому в примесном полупроводнике носителей заряда одного знака больше, чем носителей заряда другого знака; первые из них называются основными, вторые - неосновными носителями зарядов.

Рассмотрим физические процессы, протекающие в электронно-дырочном переходе идеального диода, которые обусловлены различием концентраций электронов и дырок в кристалле.

В том случае, когда внешнее напряжение на выводах диода отсутствует, в результате встречной диффузии дырок (из p- в n-область) и электронов (из n - в p -область) в объеме полупроводникового кристалла, расположенного вблизи границы раздела двух областей с различной проводимостью, заряды неподвижных ионов примесей окажутся нескомпенсированными. Эти заряды создадут по обе стороны раздела полупроводникового кристалла область объемного заряда (рис. 1.1.2.). Вследствие усиленной рекомбинации, данная область обеднена подвижными носителями зарядов и обладает малой удельной проводимостью; ее называют запирающим слоем.

Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает электрическое поле с напряженностью , которое препятствует дальнейшей встречной диффузии основных носителей заряда. На границе p-n-перехода образуется контактная разность потенциалов , численно характеризующаяся высотой потенциального барьера.

Основной характеристикой диода является вольтамперная характеристика (ВАХ) - зависимость тока диода от напряжения на диоде . ВАХ идеального диода представлена на рис. 1.1.3., аналитическое выражение для ВАХ идеального диода представляет собой:

, (1.1.1)

где контактная разность потенциалов, - обратный ток диода, - приложенное к диоду внешнее напряжение, -заряд носителя (электрона), -постоянная Больцмана, -абсолютная температура).

В реальных диодах, однако, протекают процессы, не учтённые при анализе идеализированного p-n-перехода, поэтому ВАХ реального диода отличается от ВАХ перехода.

Рис. 1.1.3. ВАХ идеализированного

p-n-перехода