1.3. Полупроводниковый p-n–переход

Полупроводниковый p-n–переход образуется на границе раздела полупроводников p- и n–типов (рис. 1.4). Такая двухслойная p-n структура получается путем введения в один из слоев монокристалла кремния (германия) акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси.

При этом при комнатной температуре атомы акцепторов и доноров можно считать полностью ионизированными, т.е. акцепторные атомы присоединяют к себе электроны, превращаясь в отрицательные ионы примеси, создавая при этом дырки, а донорные атомы отдают свои электроны, которые становятся свободными, превращаясь при этом в положительные ионы примеси. Кроме основных носителей зарядов в каждом из слоев имеются неосновные носители зарядов, создаваемые путем перехода электронов основного полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. На практике распространение получили p-nструктуры с неодинаковой концентрацией внесенных акцепторнойN _А и донорнойN _Д примесей, т.е. неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слояхp _p ≈N_A иn _n ≈N _Д . Типичными являются структуры с

N _А >>N _Д (p _p >>n _n ). На рис.1.4, б на примере германия показано распределение концентрации носителей заряда для таких структур, где принятыp _p = 10¹⁸ см ^-3 ,n _n = 10¹⁵см^-3 . Концентрация собственных носителей заряда в германии при комнатной температуреn _i = 2,5 10¹³ см^-3. Концентрация неосновных носителей заряда значительно меньше концентрации основных и составляетn _р = 10⁹ см^-3 , p _n = 10¹² см ^-3 . Вp-nструктуре на границе раздела слоёв из-за разности концентраций возникает диффузионное движение основных носителей заряда во встречном направлении. Дырки из р области диффундируют вn-область, электроны изn-области в р-область.

Дырки, вошедшие в n-область, рекомбинируют с электронами этой области, а электроны, вошедшие в р-область, - с дырками р-области. Вследствие диффузии и рекомбинации, в обеих приграничных областях концентрации основных носителей заряда снижаются.

Важнейшим следствием диффузионного движения носителей заряда через границу раздела полупроводников является появление в приграничных областях объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей. Так в р-слое создается нескомпенсированный отрицательный объемный заряд за счет оставшихся отрицательных ионов акцепторных атомов примеси. В n-слое - нескомпенсированный положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами донорных атомов примеси. Толщина слоя объемного зарядаL ₀ составляет доли микрометров. Этот слой ввиду отсутствия носителей заряда имеет очень высокое сопротивление (r = 10 ⁹…10¹⁰Ом). Поэтому его еще называют запирающим слоем. Область объемного заряда называется p-n-переходом.

В виду наличия объемного заряда в p-nпереходе создаются внутреннее электрическое поле Е(x) и контактная разность потенциалов φ_к(x). Внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером φ₀(рис 1.4, в) создает тормозящее действие для основных носителей заряда, что приводит к снижению плотности диффузионного токаJ_ДИФ. В тоже время оно является ускоряющим для несновных носителей, создающих встречный дрейфовый ток с плотностьюJ_ДРчерезp-nпереход. Эти два тока уравнивают друг друга и результирующий ток черезp-nпереход равен нулю. Величина потенциального барьера (контактная разность потенциалов) составляет при комнатной температуре для германия

φ ₀ = 0,3 …0,5 В, а для кремния φ₀ = 0,6 …0,8 В.

 _к=_n-_p=_т,

где - тепловой (термический) потенциал: при комнатной

температуре (Т = 290 К ; _т= 0,025 В;

k = 1,380662 · 10^-23Дж/К - постоянная Больцмана;

е = 1,6021892 ·10^-19Кл - заряд электрона;

Т - температура;

n_np_p- концентрации основных носителей заряда в n- и р-областях соответственно;

n_i- концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике.

Подключение к полупроводниковой структуре внешнего напряжения U_Априводит к изменению условий переноса зарядов черезp-nпереход. Внешнее напряжение может быть подключено в прямом (плюсом источника к выводу р-области и минусом кn-области) и обратном направлении (плюсом источника к выводуn-области и минусом кp-области). В случае прямого подключения источника, создаваемое им электрическое поле направлено встречно внутреннему полю в переходе, что приводит к уменьшению результирующего поля вp-nпереходе и снижению величины объемного заряда (поскольку объемному заряду вp-nпереходе будет отвечать результирующее напряжение φ₀ –U_A, меньшее, чем в отсутствии внешнего источника). Это приведет к увеличению диффузионного тока при неизменном дрейфовом токе. Плотность результирующего прямого тока черезp-nпереход

. (1.1)

С повышением внешнего напряжения диффузионный ток будет возрастать, так как потенциальный барьер будет уменьшаться, и все большее число основных носителей заряда будет способно преодолеть p-nпереход. Прямой токI_A равен произведению плотности токаJ_A черезp-nпереход на площадь его сеченияS.

При подключении к p-nпереходу источника внешнего напряжения в обратном направленииU_B,создаваемое им электрическое поле будет направлено согласно с внутреннем полемp-nперехода. Это приведет к возрастанию потенциального барьера, который станет равным φ₀ +U_В. Вследствие этого увеличится объемный заряд в p-nпереходе и его ширина, что затруднит прохождение основных носителей заряда. Произойдет снижение диффузионного тока при практически неизменном значении дрейфового тока. Однако теперь он будет превышать диффузионный ток. Через диод будет протекать ток в обратном направлении (обратный ток)

. (1.2)

Поведение диода описывается вольт-амперной характеристикой (ВАХ), приведенной на рис. 1.5.

Вольт-амперная характеристика может быть записана в аналитической форме :

I_A = I_S (e ^{U/ φ}_T - 1), (1.3)

где I_S =SJ_ДР - ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда; φ_т – тепловой потенциал. ПриU= 0, согласно выражения (1.3),I_A = 0. При приложении прямого напряжения (U=U_A > 0) единицей можно пренебречь и зависимостьI_A =f(U_A) будет иметь экспоненциальный характер. В случае обратного напряжения (U=U_B < 0) можно не учитывать экспоненту и тогдаI_A =I_B = -I_S .

При повышении прямого напряжения потенциальный барьер p-nперехода настолько снижается, что перестает влиять на прямой ток и ток будет линейно зависеть от напряжения. Этот участок прямой ветви ВАХ называется омическим и описывается приближенно уравнением

, (1.4)

где U₀ – напряжение отсечки, равное отрезку, отсекаемому на оси напряжений линейной частью характеристики;- дифференциальное сопротивление, характеризующее наклон линейной части характеристики.

Обратная ветвь ВАХ

В кривой обратного тока на участке 0-1 возрастание I_Bпри увеличении обратного напряжения обусловлено эффектами генерации и лавинообразного размножения носителей заряда в объемеp-nперехода (при большом U_обрэлектроны приобретают большую скорость и выбивают из атомов кристаллической решетки новые электроны, которые также участвуют в ударной ионизации). На величину обратного тока влияет и температура окружающей среды. Для приближенных расчетов температурную зависимость обратного тока можно определить из эмпирического соотношения

I_B (T) = I_B (T₀ ) 2 ^{(T –T}₀ ^{) / 10 C} . (1.5)

Из (1.5) следует, что обратный ток удваивается при повышении температуры на каждые 10 ^○С. Следовательно, при обратном включенииp-nпереход можно использовать, например, в качестве датчика температуры.

Участок 1-2-3- участок электрического пробоя р-n-перехода. При некотором напряжении U_обрток I_обррезко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается.

Существуют два вида электрического пробоя р-n-перехода - лавинный и туннельный.

Лавинный пробой- размножение носителей заряда за счет ударной ионизации и вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Лавинный пробой характерен для широких р-n-переходов. Вырванные электроны тоже участвуют в ударной ионизации.

Туннельный пробой, вызванный туннельным эффектом - способностью некоторых электронов проникать через тонкий р-n-переход без изменения энергии. Это возможно при напряженности поля больше 10 ⁵В/см в сильно легированных полупроводниках (высокая концентрация примесей).

Электрический пробой на участке 1-2-3является обратимым, то есть структура р-n-перехода не нарушается. На участке2-3работают диоды, предназначенные для стабилизации напряжения -стабилитроны.

Участок 3–4- участок теплового пробоя. Тепловой пробой необратим, так как сопровождается разрушением вещества в месте р-n-перехода. Объясняется это тем, что количество теплоты, выделяющееся в переходе от нагрева обратным током, превышает количество теплоты, отводимое от р-n-перехода. Это ведет к перегреву р-n-перехода и его тепловому разрушению.

Работа полупроводниковых приборов сильно подвержена влиянию температуры. С ростом температуры увеличивается генерация носителей заряда, растет прямой и особенно обратный ток через р-n-переход. При увеличении температуры в пределах 20...70 С обратный ток увеличивается более чем в 30 раз. Поэтому полупроводниковые схемы нуждаются в термостабилизации.

1.4. Полупроводники на основе карбида кремния (SiC)

Полупроводники на основе германия и кремния обладают достаточно низким рабочим температурным диапазоном: Ge- 80-90 °С, Si – 120 °С. Карбид-кремниевые полупроводники обладают более высоким показателями. Существует около 170 политипов карбид кремния. Но только два из них сегодня доступны для изготовления п/п приборов – это 4H-SiCи 6H-SiC. Для силовых полупроводников более предпочтителен политип 4H-SiC, обладающей большей подвижностью электронов. В таблице приведены основные электронные свойства политипа 4H-SiCв сравнении с кремниевым (Si) и арсенидгалиевым (GaAs) полупроводниковым материалом.

Намименование	Si	GaAs	4H-SiC
Ширина запрещенной энергетической зоны, эВ	1,12	1,5	3,26
Подвижность электронов, см2 /с·В	1400	9200	800
Подвижность дырок, см2 /с·В	450	400	140
Критическая напряженность электрического поля, МВ/cм	0,25	0,3	2,2
Теплопроводность, Вт/см·К	1,5	0,5	3,0-3,8

Карбид кремния обладает рядом преимуществ по сравнению с другими полупроводниками (кремний, арсенид галлия):

• Большая ширина запрещенной зоны обеспечивает работу при высоких температурах - ≥ + 600 ºС ;

• Напряженность поля электрического пробоя больше в 10 раз чем у Si и GaAs. Это приводит к значительному снижению сопротивления перехода в открытом состоянии;

• Высокая теплопроводность SiС снижает тепловое сопротивление кристалла;

• SiС крайне устойчив к воздействию радиации;

• Электрические свойства приборов на основе SiС очень стабильны во времени и слабо зависят от температуры.Все эти замечательные свойства в совокупности делают карбид кремния полупроводниковым материалом ближайшего будущего.