- •10 Полупроводниковые диоды
- •10.1 Образование электронно-дырочного перехода
- •10.2 Вольтамперная характеристика р-п перехода
- •Влияние внешних факторов на вах реальных диодов
- •10.4 Полупроводниковые диоды
- •10.4.1 Классификация диодов
- •10.4.2 Обозначения полупроводниковых диодов
- •10.4.3 Основные типы полупроводниковых диодов и их параметры
10 Полупроводниковые диоды
10.1 Образование электронно-дырочного перехода
Электронно-дырочным переходом(р-п переходом) называют переходной слой между двумя слоями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
До вхождения в контакт оба полупроводника электрически нейтральны, поскольку заряд основных носителей (электронов или дырок) компенсируется зарядом ионизированных доноров или акцепторов. В случае контакта полупроводников на границе раздела оказывается большой градиент концентрации электронов и дырок, что вызывает возникновение диффузионных потоков основных носителей заряда: электронов из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа и дырок во встречном направлении (рис.10.1 а). Диффундирующие носители заряда создают диффузионные токи JnДиф и JpДиф. Диффузия носителей заряда приводит к нарушению нейтральности полупроводника в приграничной области, поскольку в электронном полупроводнике остается нескомпенсированный положительный заряд доноров, а в акцепторном полупроводнике – нескомпенсированный отрицательный заряд акцепторов. Между этими объемными зарядами (обедненные слои) возникает контактная разность потенциалов φК и электрическое поле напряженностью ЕДиф, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда – возникает потенциальный барьер. По мере роста нескомпенсированных зарядов доноров и акцепторов потенциальный барьер увеличивается и основным носителям становится труднее его преодолевать, что приводит к уменьшению диффузионных потоков электронов и дырок.
Возникшие в приграничных областях р-п перехода неосновные носители заряда, совершая тепловые колебания, могут попасть под действие возникшего электрического поля, которое подхватывает их и переносит через границу в соседний полупроводник, где они опять становятся основными носителями заряда. Такие потоки неосновных носителей заряда создают дрейфовые токи электронов JnДр и дырок JpДр, направленные противоположно диффузионным токам. По мере нарастания напряженности электрического поля дрейфовые токи будут возрастать. Состояние термодинамического равновесия наступит тогда, когда потоки неосновных носителей заряда уравновесят потоки основных носителей.
В общем случае через границу полупроводников проходят четыре тока: два диффузионных за счет основных носителей (JnДиф и JpДиф) и два дрейфовых (JnДр, JpДр) за счет неосновных носителей. В состоянии равновесия сумма этих токов должна быть равна нулю:
JnДиф + JpДиф + JnДр + JpДр = 0 (10.1)
В состоянии термодинамического равновесия уровень Ферми (ЕFn и ЕFр) в обоих полупроводниках проходит на одной высоте. Это приводит к искривлению энергетических зон и образованию потенциального барьера еφК. Электрону, находящемуся на дне зоны проводимости донорного полупроводника, для перехода в акцепторный полупроводник необходимо преодолеть этот потенциальный барьер, в то время как электроны, находящиеся в зоне проводимости акцепторного полупроводника, свободно “скатываются” в донорный полупроводник.
Величина контактной разности потенциалов φК может быть определена из выражения:
, (10.2)
где k – постоянная Больцмана;
T – абсолютная температура;
е – заряд электрона;
рр, nn, - равновесная концентрация дырок и электронов в акцепторном и
донорном полупроводниках, соответственно;
ni – концентрация собственных носителей заряда.
Выражение (10.2) с учетом зависимости концентрации собственных носителей заряда от температуры и ширины запрещенной зоны:
, (10.3)
где ΔЕ – ширина запрещенной зоны полупроводника;
NC, NV – число эффективных состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно.
Из выражения (10.3) можно сделать следующие выводы:
высота потенциального барьера р-п перехода тем больше, чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника;
высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примеси в соответствующих областях;
с увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.
В зависимости от соотношения между шириной области пространственного заряда и толщиной слоя, в котором происходит изменение концентрации и типа примесных атомов, р-п переходы делятся на резкие и плавные.
В резком р-п переходе толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины области пространственного заряда. Резкий р-п переход получают методами сплавления, эпитаксии и ионной имплантацией.
Ширина области объемного заряда резкого р-п перехода в при условии термодинамического равновесия можно определить из:
(10.4)
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;
ε0 – диэлектрическая постоянная;
Если же толщина области изменения концентрации примеси соизмерима с толщиной области пространственного заряда, то такой переход называют плавным. Плавный р-п переход получают методами диффузии.
Ширина области объемного заряда линейно плавного р-п перехода в при условии термодинамического равновесия можно определить из:
, (10.5)
где а = grad N(x)=const- изменение концентрации примеси вдоль р-п перехода.