Основные сведения из теории

Полупроводниковый диод содержит р-nпереход, который в настоящее время является основным элементом твердых схем. В твердых схемах, где все элементы выполняются технологической обработкой монокристалла полупроводника, изоляция между отдельными элементами осуществляется р-nпереходами, запертыми обратными напряжениями.

Для создания р-nперехода обычно в пластинку из полупроводникаn-типа вводят акцепторную примесь. Характер границы между р-n-областями определяет физические свойства р-nперехода. Рассмотрим обычный резкий р-nпереход, в котором концентрация акцепторной и донорной примеси изменяется скачком на границе раздела (рис. 2.36, а). При этом концентрация акцепторной примеси значительно выше концентрации донорной, что обычно наблюдается у диодов твердых микросхем. В р-области концентрация дырокР_р– основных носителей, значительно больше их концентрации вn-областиР_n. Поэтому они диффундируют вn-область, где становятся неосновными носителями (рис. 2.36, б). Благодаря этому в некотором слое р-области, примыкающей к границе раздела, появляется отрицательный объемный зарядρ, обусловленный отрицательными ионами акцепторной примеси.

Рис. 2.36. Характеристики р-nперехода

Аналогично диффузия электронов будет сопровождаться образованием в n-области положительного объемного заряда ионами донорной примеси (рис. 2.36, в). Наличие объемного заряда в приконтактной области вызывает появление электрического поля (рис. 2.36, г).

Следовательно, на границе раздела между р- и n-областями имеется разность потенциалов, которую называют контактнойU_К(рис. 2.36, е). Электрическое поле, созданное в приконтактной области ионами легирующей смеси, препятствует переходу через нее основных носителей заряде, Однако это поле вызываетдрейфовыйтокнеосновных носителей, который направлен противоположно диффузионному току.

При равновесном состоянии и отсутствии внешнего поля результирующий ток через переход равен нулю. Это означает, что силы электрического поля и силы, определяющие диффузию носителей заряда, уравновешивают друг друга в любом сечении кристалла.

Приконтактную область, где имеется электрическое поле, называют р-nпереходом. Энергетическая диаграмма р-nперехода для равновесного состояния приведена на рис. 2.36, д. ЗдесьЕ_с– энергия дна зоны проводимости,Е_v– энергия потолка валентной зоны,Е_i– энергия середины запрещенной зоны,Е_F– уровень Ферми, который при соприкосновении полупроводников становится общим.

Рассмотрим количественные соотношения для концентрации основных и неосновных носителей заряда. Как известно, концентрации электронов и дырок в невырожденном примесном полупроводнике зависят от уровня Ферми (Е_F);

(2.85)

где N_cиN_v– эффективные плотности квантовых состояний в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно. Для собственного полупроводника эти концентрации равны:

(2.86)

Энергию середины зоны и уровня Ферми можно записать через соответствующие потенциалы:

(2.87)

где знак минус означает отрицательный заряд электрона.

Находя N_cиN_vиз (2.86) и учитывая (2.87), концентрации свободных носителей можно записать:

;, (2.88)

где – температурный потенциал. (2.89)

Полагая, что p_i=n_i ,концентрации носителей вдали от р-nперехода можно выразить равенствами:

;, (2.90)

где φ_pиφ_n– потенциалы середины запрещенной зоны для р- иn-типа полупроводников (рис. 2.36,e). На этом рисункеφ_cиφ_v– потенциалы дна зоны проводимости и потолка валентной зоны. Как видно из рисунка 2.36,e, контактная разность потенциаловU_kопределяется соотношением:

(2.91) Если найтиφ_nиφ_pиз (2.90) и подставить в (2.91) то получим:

;; . (2.92)

Таким образом, высота потенциального барьера р-nперехода определяется соотношением концентраций однотипных носителей на границах перехода, т.е. зависит от удельных сопротивлений р- иn-областей полупроводника.

Если к электронно-дырочному переходу подключен источник напряженияплюсом к р-области, минусом кn-области, то такое подключение называютпрямым.При прямом смещении перехода его потенциальный барьер уменьшается, и большее количество носителей, чем при равновесном состоянии, перейдет через границу раздела. Эти избыточные, неравновесные носители, появившиеся в результате понижения потенциального барьера, нарушат электронейтральность полупроводника вблизи перехода и вызовут в равном количестве поток основных носителей из глубины р- иn-областей. Длина свободного пробега электронов и дырок в полупроводнике велика, поэтому неравновесные носители смогут продвинуться вглубь полупроводника на расстояния, значительно большие толщины запорного слоя. При этом электронейтральность кристалла за пределами запорного слоя сохраняется, а концентрации носителей будут повышены. Таким образом, при приложении внешнего напряжения в прямом направлении в результате инжекции носителей через р-nпереход будет протекатьток,величина которогонарастаетс увеличением приложенного напряжения. В случае малых электрических полей диффузионный ток намного больше дрейфового и складывается из тока электронов и дырок. Уравнение вольт-амперной характеристики, которое выражает зависимость тока от приложенного напряжения, имеет вид:

, (2.93)

где U– напряжение на переходе;

J_S– обратный тепловой ток приU→∞ или ток насыщения.

Кривая зависимости тока от напряжения, соответствующая уравнению (2.93), представлена на рис. 2.38, 1 из которого видно, что для р-nперехода при прямом напряжении ток экспоненциально растет с повышением напряжения и сильно зависит от температуры. При обратном напряжении ток стремится к постоянному значению, пока не наступит пробой перехода.

Однако с повышением температуры обратный ток диода возрастает еще сильнее, чем прямой. Вследствие этого уменьшается коэффициент выпрямления диода, представляющий собой отношение прямого тока к обратному при одинаковом прямом и обратном напряжениях:

(2.94)

Это происходит оттого, что у обычных "невырожденных" полупроводниковых материалов, используемых для изготовления диодов и транзисторов, концентрация электронов и дырок не превышает и сильно зависит от температуры. При такой концентрации равновесная разность потенциалов обычно составляет 0,2-0,3 В, а ширина обедненного слоя достаточно велика (несколько микрометров).

Если повысить концентрациюэлектронов и дырок по обе стороны от границы раздела до 10¹⁹– 10²⁰см^-3, то ширина обедненного слоя в р-nпереходе уменьшится до сотых долей микрона. Такие сильно легированные полупроводники называются "вырожденными". Они обладают малым удельным сопротивлением и по своим свойствам близки к металлам. Напряженность поля в р-nпереходе может достигать десятков миллионов вольт на метр (5∙10⁷– 7∙10⁷) В/м, так как равновесная разность потенциалов составляет 0,6 – 0,7 В. При такой напряженности через р-nпереход в обе стороны будет протекать значительный ток, а результирующий ток по внешней цепи будет равен нулю. Если одну из составляющих токов уменьшить с помощью внешней батареи, то во внешней цепи потечет ток в определенном направлении. В отличие от обычного р-nперехода в данном случае ток начинаетрастипри гораздоменьшихнапряжениях внешнего источника питания.

Е_С

Р ис. 2.37. Туннельный переход

Рис. 2.38. ВАХ выпрямительного (1) и туннельного (2) диода

Дело в том, что в р-nпереходе обычного диода электроны, участвующие в создании тока, должны затрачивать определенную энергию для преодоления потенциального барьера между р-n-областями. Если полупроводники легированы и обладают малыми удельными сопротивлениями, то оказывается возможнымтуннельныймеханизм перехода электронов через границу областей. При туннельном механизме электрон не затрачивает энергии на преодоление потенциального барьера. Он как бы проходит под ним (как поезд под горой сквозь туннель). Поэтому при малом напряжении через диод протекает значительный ток. Такие диоды получили название туннельных диодов. По своей конструкции он аналогичен обычным полупроводниковым диодам. Однако принцип действия и характеристики этих двух приборов существенно отличаются.

На рис 2.37 представлены зонные диаграммы полупроводников с высокой степенью легирования и диаграмма р-nперехода туннельного диода. Отличительной чертой зонной диаграммы полупроводников для изготовления туннельных диодов является то, что уровень Ферми лежит у них не в запрещенной зоне, а внутри разрешенных зон.

Статические параметры туннельного диода полностью определяются по его вольт-амперной характеристике. На рис. 2.38 для сравнения приведены вольт-амперные характеристики обычного (1) и туннельного (2) диодов. Особенность вольт-амперной характеристики туннельного диода заключается в наличии на ней падающего участка – участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Второе важное свойство характеристики – ее резко нелинейный характер. Туннельный ток при включении диода в прямом направлении достигает максимального значения при напряжении U_maxи при дальнейшем увеличении прямого напряжения резко падает. Это связано с тем, что при увеличении прямого напряжения уменьшается число электронов, способных совершать туннельный переход. На практике обратная ветвь характеристики туннельного диода не используется.

Важными преимуществами туннельного диода являются высокие рабочие частоты и широкий температурный диапазон. Частотный предел применения туннельных диодов ограничивается лишь емкостью р-nперехода и паразитной индуктивностью выводов. Туннельные диоды из германия могут работать при температуре +200ºС, а из арсенида галлия до +400°С. Они могут работать также и при очень низких температурах (до –260°С).

Электрические свойства туннельных диодов, проверяемые на постоянном токе, характеризуются следующими параметрами:

J_max – ток максимума, соответствующий "пику" вольт-амперной характеристики ;

J_min– ток минимума, соответствующий "седлу" вольт-амперной характеристики ;

U_max– напряжение максимума (напряжение приJ_max ) ;

U_min – напряжение минимума (напряжение приJ_min ) ;

Наиболее интересный и важный участок вольт-амперной характеристики туннельного диода – участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.Обычно туннельные диоды характеризуются отношениемJ_max/J_min. Чем больше это отношение, тем лучше диод.