Лекции

Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации в р-n-переходе при нарушении равновесия между выделяемой в р-n-переходе и отводимой от него теплотой. С увеличением обратного напряжения и тока увеличивается тепловая мощность, выделяемая в р-n-переходе, а следовательно, и его температура. Как следствии, ток нарастает лавинообразно. Процесс носит обычно локальный характер, но в конечном счете приводит к расплавлению соответствующего участка р-n-перехода и частичного или полного его разрушения.

Отличия от теоретической есть и в прямой ветви вольтамперной характеристики р-n-перехода из-за влияния объемного сопротивления слоев полупроводника, что увеличивает прямое падение напряжения Ua. В результате для кремния получаем

Ua 0,8 1,2 В, а для германия (0,3 0,6) В.

1.3.КОНТАКТ ПОЛУПРОВОДНИКОВ С ОДНИМ ТИПОМ

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

Контакт полупроводников с одной электропроводностью, но с разной удельной проводимостью обозначают как р+ – р- или n+ – n-пе- реход, где знаком «+» отмечают область полупроводника с большей удельной электропроводностью, т.е. с большей концентрацией примеси. При таком контакте носители из области с большей концентрацией диффундируют в область с меньшей концентрацией, при этом в слаболегированной области создается избыток основных носителей заряда, а в сильнолегированной – недостаток. То есть на контакте двух полупроводников с одним типом электропроводности, но с разной удельной проводимостью образуется область объемного заряда, диффузионное электрическое поле и контактная разность потенциалов, которая определяется выражениями для контактов р+ – р- и n+ – n-типов соответственно:

вать, что создаваемый потенциальный барьер кон. препятствует движению неосновных носителей из слаболегированной области к контакту и, как следствие, создает накопление неосновных носителей вблизи контакта. Это происходит потому, что движению через переход дырок (неосновных носителей) слоя n в слой n препятствует диффузионное поле перехода, и эти дырки скапливаются на границе с переходом со стороны n-области. Эффект накопления этих зарядов и последующего их рассасывания достаточно инерционный, что сказывается на быстродействии соответствующих приборов.

1.4.КОНТАКТ МЕТАЛЛ –ПОЛУПРОВОДНИК

При идеальном контакте металл – полупроводник происходят явления, определяемые разницей в «работе выхода» электронов в металле AМ и в полупроводнике – AП . Под работой выхода электронов будем понимать энергию, необходимую для перевода электрона с уровня Ферми на «потолок» верхней свободной зоны (без удаления электрона в вакуум). При контакте металл – полупроводник возникает переход электронов из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. В результате происходит перераспределение зарядов, приводящее к появлению электрического поля и контактной разности потенциалов:

Причем поле сосредоточено практически в полупроводнике, т.к. в нем концентрация носителей заряда (электронов, находящихся на уровнях Ферми) существенно меньше, чем в металле. Перераспределение зарядов в полупроводнике занимает заметный объем, в металле (в связи с указанной причиной) – ничтожно малый, а глубина слоя соизмерима с межатомным расстоянием.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода металла и полупроводника в последнем может возникать обедненный, инверсный или обогащенный слой.

1.5.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

1.5.1.Общая характеристика полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды – это приборы с одним выпрямляющим переходом и двумя внешними выводами. Образовываться выпрямляющий переход может не только контактом двух полупроводников различной проводимости, но и контактом металл – полупроводник при ранее оговоренных условиях. Различаются полупроводниковые диоды друг от друга как по своим свойствам и назначению, так и по конструкции.

Прежде всего, диоды различают на плоскостные и точечные, суть различий которых в соотношении площади перехода и его толщины. В плоскостных площадь перехода (его линейные размеры) существенно больше его толщины, а в точечных линейные размеры перехода меньше, чем его толщина (т.е. область пространственного заряда, диффузионная длина и т.д.). Плоскостные переходы получают методами сплавления, диффузии и эпитаксии. При сплавлении обычно таблетка примеси накладывается на пластину примесного полупроводника с другим типом электропроводности. При термической обработке таблетка расплавляется и растворяет прилегающую к ней поверхность полупроводника. Затем в процессе остывания на границе расплава кристаллизуется тонкий слой полупроводника с проводимостью иного типа, а именно определяемой материалом таблетки. С помощью свинцово-оловянного припоя создаются невыпрямляющие омические контакты. У сплавных диодов р-n-переходы получаются резко несимметричными, т.е. прямой ток (диффузионный) определяется практически движением одного типа носителей. Область полупроводникового диода с большей концентрацией основных носителей называют эмиттером, а область с меньшей концентрацией – базой. При изготовлении плоскостного перехода диффузионным методом используется диффузия акцепторной или донорной примеси из газовой среды в глубь пластины полупроводника n- или р-типа. Диффузионные переходы получаются плавными, т.е. концентрация примеси

группы приборов. Пример: 2Д503Б – кремниевый импульсный диод, разновидность типа Б.

Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.19, где а – выпрямительный, СВЧ, импульсный; б – стабилитрон; в – туннельный; г – варикап; д – обращённый; е – диод Шоттки; ж – фотодиод; з – светоизлучающий.

Рис. 1.19

Стрелка указывает прямое направление тока диода. Внешний вывод, к которому прикладывается «+» источника в прямом направлении, называется «анод», а другой – «катод».

1.5.2. Вольт-амперная характеристика двухэлектродных полупроводниковых приборов

Вольт-амперная характеристика выпрямительных, импульсных и СВЧ-диодов показана на рис. 1.20, где сплошная линия – реальная характеристика, а штриховая линия – теоретическая характеристика.

I

1

0 U

3

4

Рис. 1.20

После точки 1 реальная характеристика отклоняется от теоретической в сторону больших падений напряжения из-за сопротив-

48

ления объема полупроводниковых областей (в основном за счет базы и сопротивления контактов) – это при Ua Uкн в прямом направлении. При Ub 0 на участке 0–2 обратный ток диода больше теплового I0 в силу двух причин. Первая заключается в том, что тепловой ток за счет термогенерации зависит от объема запирающего слоя. С ростом Ub увеличивается этот объем, а следовательно, растет и I0 . Это приращение иногда учитывают введением дополнительной составляющей IT – тока термогенерации. Т.е. можно считать для удобства, что I0 const, а применять IT .

Вторая причина роста обратного тока с ростом Ub состоит в наличии тока утечки Iу , который проходит по поверхности кри-

сталла от эмиттера к базе. Он сильно зависит от загрязнения этой поверхности, но практически не зависит от температуры. На участке 2–3 растет обратный ток – это предпробойное состояние диода. В точке 3 происходит пробой р-n-перехода. В точке 4 пробой переходит в фазу теплового в результате превышения допустимой мощности, рассеиваемой диодом.

Следует помнить, что в зависимости от температуры растет не только обратный, но и прямой ток.

1.5.3. Основные параметры полупроводниковых диодов

Указанные полупроводниковые диоды характеризуются рядом основных параметров. Постоянный обратный ток диода Iобр. –

ток в обратном направлении при заданном обратном напряжении. Постоянное обратное напряжение диода Uобр. – значение постоян-

ного напряжения, приложенного к диоду и соответствующее Iобр..

Постоянный прямой ток диодаIпр. – значение постоянного тока в

прямом направлении, который может протекать длительное время. Постоянное прямое напряжение диода Uпр. – значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе. Дифференциальное сопротивление rдиф. dUdI в прямом направлении (rдиф. rS –

сопротивление с учетом сопротивления выводов и самих областей полупроводника). Обратное максимально допустимое напряжение,

ограничиваемое пробивным напряжением Ubmax 0,8Uпроб.. Мак-

симальная допустимая мощность рассеивания диодом Pmax . Максимальный допустимый постоянный прямой ток диода Iпр. max . Ем-

кость диода CД Cзар. Cдиф..

С учетом приведенных параметров диода для его анализа удобно пользоваться эквивалентной схемой, показанной на рисун-

ке 1.21.

Здесь Cв – емкость выводов, Lв – индуктивность выводов, rS – сопротивление областей полупроводникового кристалла и выводов, Rp-n – переменное сопротивление р-n-перехода, Cзар. – пере-

менная зарядная емкость, Cдиф. – переменная диффузионная ем-

кость.

1.5.4. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды – это приборы, предназначенные для преобразования переменного тока в выпрямленный. Выпускаются они в основном на основе кремния и германия. Кремниевые имеют меньшие обратные токи, работают при более высоких температурах и больших обратных напряжениях, имеют допустимые плотности прямого тока 60–80 А/см2 против 20–40 А/см2 у германия, но имеют большие падения напряжения при прямом токе 0,8 1,2 В против 0,3 0,6 В у германия.

Помимо ранее указанных в п. 1.5.3 параметров для выпрямительных диодов являются важными дополнительные параметры,