Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

~ -0,4

в)

Рис. 2.20

из которого следует, что зависимость с-2 = f(U) линейна, как

и для анизотипного перехода.

величина Ф больше, чем в предыдущем случа'е, поскольку ширина запрещенной зоны InP (0,18 эВ) существенно меньше ширины за­ прещенной зоны Ge (О, 72 эВ). Гетеропереходы широко исполь­ зуются в полупроводниковых приборах, в частности в светодиодах (п. 16.3), полупроводниковых лазерах (гл. 21) и др.

-0--------1 Контрольные допросы!1---------

1.Виды электрических переходов и их характеристики.

2.Каковы физические процессы в равновесном переходе? Фор­ мирование обедненной области и барьерной емкости р-п-пе­

рехода.

3. Объясните процессы в р-п-переходе при прямом и обрат­

ном смещении: инжекция, экстракция неосновных носите­

лей.

4. Каковы ВАХ идеализированного р-п-перехода. В чем со­ стоит идеализация ВАХ? БАХ реального р-п-перехода. Каковы физические механизмы пробоя р-п-перехода?

5. ВФХ и эквивалентная схемар-п-перехода. 6. Переходные процессы вр-п-переходе.

7. Контакт металл - полупроводник (энергетические диаг­ раммы и ВАХ; ее отличие от ВАХр-п-перехода).

8. Виды гетеропереходов и их энергетические диаграммы.

9. БАХ и ВФХ изотипных и анизотипных гетеропереходов.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

3.1. Общие сведения и классификация диодов

Классификация полупроводниковых диодов. Полупроводнико­ вые диоды относятся к электропреобразовательным приборам с двумя выводами. Несмотря на большое разнообразие и широ­

кую номенклатуру диодов, основная масса их содержит полу­

проводник с одним электрическим переходом и омическими

В соответствии с конструктивно-технологическими особен­

ностями изготавливают плоскостные, точечные и микросплавные

диоды.

По выполняемым функциям различают выпрямительные, им­

пульсные, преобразовательные, переключательные, детекrорные ди­ оды, стабилитроны, варикапы и параметрические диоды, светодиоды,

полупроводниковые лазерные диоды, фотодиоды и др. У некоторых диодов в названии отображаются основные физические процес­

сы в переходе, например туннельный диод, лавинно-пролетный ди­

од, или характер преобразования энергии сигнала, например светодиод, фотодиод (гл. 16), и т. д.

.Классификацию отдельных подклассов диодов проводят в за­

висимости от диапазона рабочих частот - низкочастотные, высо­

кочастотные, сверхвысокочастотные (СВЧ).

Диоды различного назначения отличаются структурой, пло­

щадью и формой перехода (плоский, точечный, полусфериче­

ский и др.), распределением концентрации примесей (ступенча­

тое, линейное и др.), режимами работы перехода, конструкцией

корпуса, системой справочных параметров.

.Конструкция корпуса низкочастотных мощных (силовых) вы­ прямительных диодов является массивной для обеспечения хоро­ шего теплоотвода. Высокочастотные диоды имеют миниатюрные пластмассовые или стеклянные корпуса. Конструкri,ия корпуса

СВЧ-диодов приспособлена для размещения их в волноводных

трактах. В гибридных интегральных схемах и микросборках при­ меняются бескорпусные диоды.

Система параметров диодов. Система параметров диодов вклю­

чает большое число наименований. Параметры диодов подразде­ ляются на предельно допустимые, минимально и (или) макси­

мально допустимые и рабочие (характеризующие).

По,µ; предельными эксплуатационными параметрами пони­

маются максимально допустимые значения токов, напряже­

ний, рассеиваемых мощностей, температур и других парамет­

ров, при которых гарантируется работоспособность диода. Пре­

вышение указанных значений приводит к выходу прибора из

строя или возможному его повреждению. Допустимые значения

параметров определяют удовлетворнтельную работу прибора.

Предельно допустимые значения параметров нельзя измерить, их можно проверять на основе опытов, испытаний (иногда раз­ рушающих) или путем расчетов.

счет теплового движения при высокой температуре (- 1300 К).

Чем больше время диффузии или чем выше температура, тем

глубже атомы проникают в пластину. Параметры процесса в этом случае контролируются, что обеспечивает лучшую воспро­

изводимость, по сравнению с вплавлением, электрических пара­

метров полупроводниковых структур. Концентрация введенных

атомов примесей является в этом процессе пространственно не­ равномерной. Она максимальна у поверхности и уменьшается

при удалении от нее.

Электронно-дырочный переход, сформированный диффузи­

ей, получается плоским, с большой площадью, равной площади исходной пластинки. Это позволяет получить большие рабочие

токи, что необходимо в мощных силовых дискретных диодах. В микроэлектронике 11ри изготовлении полупроводниковых

интегральных схем используют методы локальной диффузии, при

которой диффузия примесей осуществляется через отверстие в

тонкой маске из оксида кремния Si02 , формируемой на поверхно­

сти кремниевой пластины термическим окислением. Оксид крем­

ния не пропускает донорные атомы фосфора и акцептор;н:ые атомы

бора. Отверстие в маске образуется путем фотолитографии. Макси­

мальная площадь формирующегося таким методом перехода оп­

ределяется разрешающей способностью фотолитографии, задаю­ щей минимальный размер отверстия, и толщиной диффузионного

слоя. Возможности современной технологии позволяют формиро­

вать переходы с площадью в несколько квадратных мкм.

Ионное легирование осуществляется ускоренными до энергий в десятки и сотни кэВ ионами примесей, бомбардирующими по­

верхность полупроводника. Глубина проникновения ионов со­

ставляет менее одного микрона, что позволяет получать очень

тонкие слои. Легирование производится через отверстие в маске.

Поскольку ионный пучок направлен строго перпендикулярно по­

верхности полупроводника и боковое рассеивание невелико, то размеры легированной области точно соответствуют отверстию в маске. В результате удается получить переходы с меньшей пло­

щадью (менее 1 мкм2), чем с помощью локальной диффузии. Не­

обходимое распределение концентрации примесей достигается

регулированием энергии и плотности потока ионов за счет уско­

ряющего напряжения и времени облучения.

Эпитаксия - это процесс наращивания при Т - 1300 К на плас­

тину полупроводника (подложку) монокристаллического слоя тол­ щиной 1".15 мкм, который воспроизводит структуру nодложки.

76Раздел 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Врезультате формируется единичный монокристалл. Обычно ма­

териал наращиваемого слоя и подложки одинаков, но возможно

применение и различных материалов с близкойкристаллической структурой, например при формировании гетеропереходов. Для

создания многослойной структуры проводят несколько последо­

вательных эпитаксий.

Для получения очень тонких (до нескольких нанометров)

структур, близких к ступенчатым, используют молекулярно-лу­ чевую технологию (нанотехнологию), осуществляемую в сверх­

высоком вакууме. Молекулярные пучки получают за счет испа­

рения компонентов плен:ки.

3.2. Выпрямительные диоды

По своим функциональным свойствам выпрямительные ди­

оды можно разделить на низко~астотные и высокочастотные.

Выпрямительные низкочастотные диоды. Для преобразования переменного тока в постоянный предназначены выпрямительные низкочастотные диоды. Они выполняются обычно на основе плос­

костного перехода. Выпрямительный диод должен иметь низкое

сопротивление при прямом смещении и очень высокое при обрат­ ном. Особенности физических процессов при выпрямлении

можно проиллюстрировать на примере схемы однополупериод­

ного выпрямителя (VD) (рис. 3.1, а), где Иип - напряжение ис­

точника переменного тока, Rн - сопротивление нагрузки. В по­ ложительный полупериод напряжение на нагрузке равно Ии = = инп - ипр ::::: иип' поскольку падение напряжения на диоде ипр

при прямом смещении мало. Ток в цепи диода равен Jд = ИипlRн.

. При обратном смещении через диод течет малый ток J 06P, поэто-

Рис. 3.1

щийся разностью усредненных за период прямого тока I пр. ер и

обратного Jобр. ер (см. рис. 3.1, б).

К другим основным динамическим параметрам относятся: Ипр. ер - среднее значение прямого падения напряжения при

заданном среднем значении прямого тока; Иобр. ер - среднее за

период значение обратного напряжения. Величины Ипр. ер при за­

данном I пр. ер' I обр. ер и максимальном амплитудном значении об­

ратного напряжения Иобр. макс являются основными электриче­

скими параметрами диода.

Верхняя частотная граница работы выпрямительных сило­

вых диодов обычно не превышает 50 кГц. Основными эксплу­

атационными параметрами выпрямительных диодов являются

следующие: иобр. макс - максимально допустимое обратное на­

пряжение, при котором диод может длительное время функци­

онировать без нарушения работоспособности; обычно иобр. макс.;::;; < (0,5 ... 0,8) Ипроб (Ипроб - напряжение пробоя); !пр.макс - мак­

симально допустимый постоянный прямой ток; Ипр - постоян­ ное прямое напряжение при заданном прямом токе I пр = I пр. макс;

J06р.макс - максимально допустимый обратный ток; Рмакс - мак­

симально допустимая мощность, рассеиваемая диодом.

При протекании тока через диод происходит повышение тем­ пературы перехода. В установившемся режиме подводимая к пе­

реходу и отводимая от него мощности должны быть равны и не

превышать Рмакс' иначе возможен тепловой пробой. В связи с

этим одним из важных параметров диодов является диапазон

температур окружающей среды и максимальная температура

корпуса, при которых гарантируется нормальная температура

диодов. Для кремниевых диодов регламентируемая температура окружающей среды от -60 до 125 °С. Для снижения температу­

ры перехода в силовых выпрямительных диодах используются

специальные радиаторы, позволяющие отводить избыток тепла.

Для кремниевых диодов с р-п-переходом, имеющих ~щ.:

ибщ1ьшее распространение' ипр. ер ::::: 1 ... 1,5 в при Т0 = 20 °С.

С ростом температуры прямое напряжение Ипр. ер уменьшается. Обратный ток таких диодов при Т0 = 20 °С обычно не превышает

десятых долей мкА и увеличивается при повышении темпера­ туры. Напряжение пробоя для кремниевых диодов составляет

сотни вольт и увеличивается с ростом температуры.

По максимально допустимому выпрямленному току диоды

разбиты на три группы: диоды малой мощности (Iпр::;;;;; 0,3 А), ди­

оды средней мощности (0,3 А< Jnp < 10 А) и мощные (силовые) диоды (Iпр > 10 А). Предельные токи некоторых марок силовых

выпрямительных диодов могут превышать 1500 А с И06р. макс от

100 до 4000 В и более.

Для повышения предельных токов и напряжений изготавли­

вают выпрямительные столбы, состоящие из кремниевых сплав­

ных или диффузионных последовательно соединенных диодов,

количество которых может превышать полтора десятка единиц.

Обратные токи и напряжения в выnрямительных столбах под­

бираются одинаковыми, иначе на одном из диодов обратное на­

пряжение может оказаться выше пробивного и весь столб вый­

дет из строя. Для обеспечения идентичности БАХ и параметров

диодов их изготовляют в едином технологическом цикле подоб­

но :интегральным схемам.

Выпрямительные высокочастотные диоды. Диоды этого типа

используются в детекторах, смесителях, преобразователях час­

тоты, ограничителях и других устройствах и осуществляют не­

линейное электрическое преобразование сигналов на частотах

до. сотен мегагерц.

Поскольку рассматриваемые диоды работают на очень высо­

ких частотах, для них важны такие динамические параметры,

как высокая граничная частота работы fгр• :индуктивность ди­

ода Lд, емкости диода Скорп' С6ар• сопротивление базы r 6 • Пара­ метры Lд, Скорп• С6ар• r6 и время жизни неосновных носителей в

базе для высокочастотных выпрямительных диодов должны

иметь возможно меньшие значения, что достигается уменьше­

нием площади перехода за счет применения точечных контак­

тов, легированием базы золотом, которое снижает время жизни носителей, и т. д.

Простейшая эквивалентная схема (электрическая модель) вы­

сокочастотного диода для большого сигнала, справедливая для линейных детекторов, ограничителей и т. д., приведена на

рис. 3.2, а. Эта модель отличается от аналогичной моделир-п-пе­

рехода наличием конденсатора Скорп• который учитывает пара-