1.3. Краткие теоретические сведения

1.3.1. Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод представляет собой двухслойный прибор, состоящий из материалов, обладающих электронной n и дырочной p электропроводимостями.

Электронно-дырочным переходом (p-n переходом) называют переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность p-типа, а другая – n-типа.

На риc. 1.1,а схематично показан такой полупроводник, в котором внутренней границей раздела между p- и n-областями является плоскость ММ. Различия в типе проводимости указанных областей достигается за счет того, что первая содержит атомы акцентной примеси с концентрацией N_А, а вторая – атомы дополнительной примеси с концентрацией N_Д. На рисунке 1.1,б показано изменение концентраций примесных атомов в полупроводнике вдоль оси Х, перпендикулярной плоскости ММ. В точке х=0 концентрации примесей изменяются скачком, поэтому p-n-переход такого типа называют ступенчатым.

В p-области концентрация дырок - основных носителей – значительно больше, чем в n-области. Поэтому они диффундируют в n-область, где становятся неосновными носителями. Аналогично электроны диффундируют из n-области, где они являются основными носителями, в p-область, где становятся неосновными носителями. В результате диффузии в слоях полупроводника толщиной dp и dn, прилегающих к плоскости MM с обеих сторон, образуются неподвижные объемные заряды, вызванные тем, что электроны, покинувшие n-область, оставляют в этой области нескомпенсированные объемные заряды ионизированных атомов донорной примеси, а дырки, ушедшие из p-области, оставляют в ней нескомпенсированные объемные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси.

В области объемных зарядов возникает внутреннее электрическое поле E (потенциальный барьер или контактная разность потенциалов U_К), напряжение которого препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через границу p-n-перехода. Кроме того, под действием внутреннего поля возникают дрейфовые потоки неосновных носителей через переход: электронов из p-области в n-область и дырок в противоположном направлении. Интенсивность дрейфовых потоков определяется в основном равновесными концентрациями неосновных носителей заряда в p- и n-областях зависящих от температуры окружающей среды.

При отсутствии в полупроводнике внешнего электрического поля p-n-переход находится в состоянии так называемого термодинамического равновесия, при котором диффузионные и дрейфовые потоки носителей заряда взаимно уравновешиваются, так что результирующий ток через плоскость ММ равен нулю. В зоне контакта создается область некоторой протяженности d, в которой происходит постепенное изменение концентраций электронов и дырок.

В области объемного заряда концентрация свободных носителей мала, поэтому эта область обладает значительно более высоким электрическим сопротивлением, чем остальные области полупроводника, и ее называют также запорным слоем.

Если к p-n-переходу приложить напряжение U от внешнего источника, то оно практически полностью падает на запорном слое. Если напряжение внешнего электрического поля совпадает с направлением внутреннего поля, обусловленного объемными зарядами, то разность потенциалов между областями полупроводника возрастает до величины U_К+U; в противном случае разность потенциалов уменьшается до величины U_К -U.

Первому случаю соответствует такая полярность внешнего напряжения, при котором “+” источника подключен к n-области, а “-“ к p-области (рис.1.2); такое включение p-n-перехода называют обратным включением или смещением. В этом случае искривление энергетических уровней в полупроводнике и толщина запорного слоя увеличиваются.

Во втором случае полярность внешнего напряжения такова, что “+” источника подключен к p-области, а “-” к n-области (рис.1.3); такое включение p-n-перехода называют прямым включением или смещением. В этом случае искривление энергетических уровней в полупроводнике и толщина запорного слоя уменьшаются.

При прямом смещении p-n-перехода облегчается диффундирование основных носителей через плоскость ММ. В результате этого поток дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область увеличиваются по сравнению с равновесным состоянием. Следовательно, из n-области в p-область переходит дополнительное число электронов, а из p-области в n-область – дополнительное число дырок. Электроны, перешедшие в p-область, и дырки, перешедшие в n-область, являются для этих областей избыточными неосновными носителями заряда. Таким образом, прямое смещение p-n-перехода вызывает повышение концентраций неосновных носителей в n- и p-областях полупроводника. Это явление получило название инжекции (“впрыскивания”) неосновных носителей.

Избыточные неосновные носители от границ запорного слоя диффундируют в глубь p- и n-области полупроводника, где постепенно рекомбинируют с основными носителями этих областей. В результате избыток концентрации неосновных носителей заряда по мере удаления от границ запорного слоя уменьшается.

При обратном смещении p-n-перехода диффузия основных носителей через плоскость ММ затрудняется, в результате чего потоки дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область уменьшаются по сравнению с равновесным состоянием. Это приводит к снижению концентраций неосновных носителей заряда не только в запорном слое, но и в прилегающих к нему областях.

Явление обеднения n- и p-областей полупроводника, прилежащих к запорному слою, неосновными носителями при обратном смещении называется экстракцией неосновных носителей.

В результате экстракции неосновные носители заряда из глубины p- и n-областей дрейфуют к запорному слою, однако рекомбинация их с основными носителями не позволяет полностью выровнять концентрацию неосновных носителей у границ запорного слоя и вдали от него. Поэтому по мере удаления от границ запорного слоя концентрации неосновных носителей повышаются.

1.3.2. ВАХ p-n-перехода

ВАХ p-n-перехода называется зависимость тока, протекающего через p-n-переход, от величины приложенного к нему внешнего напряжения. В состоянии термодинамического равновесия результирующие токи электронов и дырок равны нулю. Следовательно, нулю равен и суммарный ток носителей через p-n-переход:

I_Σ = Iдиф + Iдр = 0 (1.1)

При подаче на переход внешнего напряжения равновесие между диффузионными и дрейфовыми токами носителей нарушается, что приводит к протеканию через переход результирующего тока, величина которого определяется величиной и знаком приложенного напряжения.

Следует отметить, что интенсивность дрейфовых потоков неосновных носителей через границу перехода слабо зависит от величины и приложенного обратного напряжения, а определяется, в основном, только процессом термогенерации носителей заряда.

При прямом смещении интенсивность диффузионного потока выше, чем в равновесном состоянии, благодаря понижению высоты потенциального барьера между p- и n-областями. Поэтому результирующий ток через p-n-переход направлен от p-области к n-области, т.е. совпадает по направлению с током, создаваемым основными носителями. Такой ток называется прямым током p-n-перехода. С возрастанием величины приложенного внешнего напряжения высота потенциального барьера понижается, что приводит к повышению диффузионного потока основных носителей через переход и увеличению его прямого результирующего тока.

При обратном смещении высота потенциального барьера повышается по сравнению с равновесным состоянием. В результате поток основных носителей, способных преодолеть этот барьер, резко уменьшается. Результирующий ток через p-n-переход направлен в этом случае от n-области к p-области, т.е. совпадает по направлению с током, создаваемым дрейфовыми потоками неосновных носителей. Такой ток называют обратным током p-n-перехода. С возрастанием величины обратного напряжения диффузионные потоки основных носителей уменьшаются, а обратный ток увеличивается. Однако уже при сравнительно небольших обратных напряжениях (около 0,1В) диффузионное движение основных носителей через переход практически полностью прекращается. При дальнейшем увеличении обратного напряжения, обратный ток перехода определяется только дрейфовым движением неосновных носителей и слабо зависит от величины обратного напряжения.

Теоретическая ВАХ p-n-перехода описывается уравнением

I = I_S [e^{ eU / kT} - 1], (1.2)

где I_S – ток насыщения или ток неосновных носителей заряда; е – заряд электрона; U - величина приложенного внешнего напряжения; k – постоянная Больцмана; T – температура окружающей среды.

График функции (1.2) приведен на рис.1.4 (кривая 1). Уравнение (1.2) не учитывает процессов генерации и рекомбинации носителей заряда в запорном слое. В действительности же эти процессы влияют на суммарный ток p-n-перехода. Примерный вид ВАХ с учетом этих процессов изображает кривая 2 на рис.1.4.

Кроме того, в реальном p-n-переходе при больших обратных напряжениях возможен тепловой пробой (т.2 рис.1.4), что приводит к разрушению структуры полупроводника и выходу p-n-перехода из строя.

С повышением температуры полупроводника концентрация неосновных носителей повышается, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного токов p-n-перехода. ВАХ диода для двух различных значений температуры приводятся на рис.1.5.

1.3.3. Полупроводниковый стабилитрон

Стабилитроны изготавливаются по особой технологии. Структура стабилитрона аналогична диоду (рис.1.1).

Если p-n-переход смещен в прямом направлении, характеристика стабилитрона похожа на прямую ветвь ВАХ диода (рис.1.6).

О

Рис.1.7. Принципиальная схема параметрического стабилизатора.

днако обратные ветви характеристики диода и стабилитрона существенно отличаются. В стабилитроне при определённом обратном напряжении сильное электрическое поле ускоряет электроны настолько, что они вызывают ударную ионизацию атомов кристаллической решётки вещества. При этом поток носителей заряда лавинообразно нарастает, обратный ток увеличивается, а напряжение остаётся практически неизменным. В этом случае обратная ветвь характеристики (рис.1.6) почти параллельна оси токов I_обр. Если балластным сопротивлением ограничить величину обратного тока, то такой участок характеристики можно использовать для стабилизации напряжения на нагрузке. Нап­ряжение на рабочем участке характеристики ВА называется напряжением стабилизации. При значительном изменении тока (от минимального до максимального) напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Изменения напряжения стабилизации определяются динамическим сопротивлением стабилитрона, которые обычно составляют единицы-десятки Ом:

R_д = U_ст / I_ст , (1.3)

где U_ст – приращение напряжения на участке стабилизации; I_ст - приращение тока на участке стабилизации.

Рис.1.8. Зависимость напряжения стабилизации от внешнего напряжения.

Кроме низкого динамического сопротивления, кремниевые стабилитроны имеют ещё ряд преимуществ: малые габариты и вес, хорошую повторяемость величины напряжения стабилизации U_ст. Важной характеристикой простейшего стабилизатора (параметричекого) на основе стабилитрона (рис.1.7) является коэффициент стабили­зации:

∆U_ВХ ∕ U_ВХ

k_ст = —————— . (1.4)

∆U_СТ ∕ U_СТ

Величины U_вх,U_вх,U_ст,U_стопределяются из зависимостиU_ст=f(U_вх) (рис.1.8) на рабочем участке.Uвх соответствует середине участка стабилизации:

U_вх=(U_вх.мин+U_{вх.макс})/2, аU_ст– началу участка стабилизации.