ED641[1]

Кремниевые диоды имеют более высокую рабочую температуру и поэтому позволяют рассеивать большие мощности. В схемах с импульсами малой амплитуды чаще используются германиевые диоды, для переключения токов в десятки и сотни миллиампер более предпочтительными оказываются кремниевые импульсные диоды.

Наряду с изменением концентрации избыточных дырок, одновременно и точно таким же образом изменяется и концентрация электронов, которые в необходимом для этого количестве входят в базу через омический контакт. Это обстоятельство связано с принципом зарядовой нейтральности полупроводника, согласно которому внутри базовой области вне p–n-пере- хода не может возникнуть объемный заряд.

Таким образом, при прохождении прямого тока в базе диода возникает повышенная концентрация как дырок, так и электронов. Это явление полу-

чило название накопления носителей заряда в базе. Иногда используют термин накопление заряда. Следует помнить, что объемных зарядов в базе не возникает из-за нейтрализации дырок электронами. Электронейтральность базы сохраняется и при последующем рассасывании накопленных носителей заряда.

Еще раз отметим, что установившееся состояние, возникающее при длительном протекании прямого тока и характеризующееся повышенной концентрацией дырок и электронов в базе, следует понимать как динамическое равновесие, при котором происходит непрерывная инжекция дырок p–n-переходом и их рекомбинация, при этом полное количество неравновесных носителей заряда в базе поддерживается постоянным.

Уровнем инжекции называют отношение избыточной концентрации неосновных носителей заряда к равновесной концентрации основных но-

сителей заряда. Значениям отношения pn1 1 соответствует низкий nn0

уровень инжекции, а значениям 1 – высокий. Следует отметить, что уровень инжекции определяется не только током, протекающим через диод, но также геометрией p–n-перехода и электрофизическими свойствами полупроводника базы.

В случае низкого уровня инжекции относительное изменение концентрации электронов в базе не превышает нескольких единиц процентов и практически никак не проявляется при работе диода в переключающем режиме. Относительное же изменение концентрации дырок (по сравнению с их равновесной концентрацией) при этом весьма значительно (не менее, чем в сотни и тысячи раз), поэтому и справедливо использование термина

накопление дырок.

Из простых физических соображений очевидно, что величина накопленного заряда будет тем больше, чем больше прямой ток через диод и чем

41

больше время жизни дырок в базе. Кроме того, величина накопленного заряда зависит от геометрии базы.

Так, в точечном диоде диффузия дырок от p–n-перехода идет гораздо интенсивнее, чем в плоскостном, что объясняется полусферической геометрией p–n-перехода. Поэтому при переключении диода с прямого направления на обратное во внешнюю цепь вытекает меньшая доля накопленного заряда, чем в случае плоскостного диода.

Если в плоскостном диоде уменьшить толщину базы до размеров, меньших диффузионной длины дырок, то процесс накопления и рассасывания заряда начинает определяться главным образом свойствами омического контакта. Иногда вводят понятие эффективного времени жизни, определяемого интенсивностью рекомбинации как в базовой области, так и в плоскости омического контакта. Для контакта с высокой скоростью поверхностной рекомбинации, интенсивно поглощающего дырки, эффективное время жизни и соответственно величина накопленного заряда меньше, чем для того же диода с толстой базой. Если же рекомбинация в плоскости омического контакта мала и подошедшие к контакту дырки отражаются обратно в базу без рекомбинации, то накопленный заряд может быть очень большим, так как в этом случае процесс инжекции уравновешивается только рекомбинацией в объеме базы, а этот объем меньше, чем в таком же диоде с толстой базой.

Рассмотренные качественные особенности приборов с разной геометрией p–n-перехода и базы используются при конструировании быстродействующих диодов.

Накопление неравновесных носителей заряда в базе обусловливает инерционность диода при работе его в переключающем режиме. Как известно, обратный ток диода определяется концентрацией неосновных носителей заряда в базе вблизи p–n-перехода. Поэтому при быстром переключении диода из прямого направления в обратное его обратный ток в первый момент намного превышает свое статическое значение. При изменении полярности напряжения на p–n-переходе он из эмиттера дырок превращается в их поглотителя: любая дырка, оказавшаяся со стороны базы вблизи p-n перехода, беспрепятственно проходит в p-область. Концентрация избыточных дырок около p–n-перехода уменьшается вследствие трех эффектов: поглощения дырок p–n-переходом, рекомбинации их с электронами и диффузии в направлении от p–n-перехода к омическому контакту. При переключении диода из прямого направления в обратное происходит

рассасывание накопленного заряда.

Обратный ток диода, имевший очень большое значение сразу после переключения, начинает по мере рассасывания накопленного заряда уменьшаться, оставаясь в течение всего времени рассасывания больше своего статического значения и лишь постепенно приближаясь к нему.

42

Соответственно этому обратное сопротивление диода, малое сразу после переключения, постепенно увеличивается до своего статического значения

– происходит восстановление обратного сопротивления диода. В совре-

менных полупроводниковых диодах время рассасывания накопленного заряда лежит в пределах от десятков микросекунд до единиц наносекунд, причем когда говорят об импульсных диодах, то обычно имеют в виду диоды, в которых длительность этого процесса менее 1 мкс.

Таким образом, рассасывание накопленного заряда определяет переходные процессы восстановления обратного сопротивления, наблюдаемые при переключении диода из прямого направления в обратное.

Накопление дырок в базе обусловливает также и другой переходный процесс – установление прямого сопротивления при переключении диода из нейтрального напряжения в прямое.

Если прямой ток столь значителен, что достигается высокий уровень инжекции, то концентрация подвижных носителей в области базы вблизи p–n-перехода начинает превышать (иногда очень значительно) концентрацию основных носителей, электронов, имевшуюся в ней до начала протекания прямого тока. Это приводит к уменьшению удельного сопротивления части полупроводника, происходит так называемая модуляция сопро-

тивления базы.

5.3.2. Переходные характеристики переключения

На рис. 5.10 представлена схема наиболее часто встречающегося на практике режима переключения и соответствующие осциллограммы (причем время переключения t3 0).

В течение времени t1 на p–n-переходе сохраняется напряжение, по знаку соответствующее прямому направлению. Величина этого напряжения за время t1 спадает от значения, которое было на p–n-переходе при протекании прямого тока плотности jпр , до нуля, а в дальнейшем меняет

свой знак на обратный и постепенно нарастает до значения, равного амплитуде импульсного обратного напряжения.

В течение времени t1 обратное сопротивление диода очень мало и в большинстве случаев его можно считать равным нулю.

На рис. 5.11 приведены графики, связывающие длительность постоянного обратного тока – «полочки» – с режимом переключения и радиусом полусферического p–n-перехода. Характерно, что при уменьшении радиуса

p–n-перехода длительность «полочки» убывает пропорционально r02 , то есть очень быстро. Для реальных точечных диодов длительность «полочки» t1 не превышает нескольких процентов от p .

43

u

Рис. 5.10. Схема переключения диода (а) и осциллограммы переходного процесса (б)

такт. Стабилизирующее влияние такого воздействия связано с тем, что, как твердо установлено многочисленными экспериментальными исследованиями, при электроформовке на электронном германии под острием иглы образуется небольшая по объему p-область, а следовательно, возникает и p–n-переход, электрические характеристики которого менее чувствительны к изменению окружающей среды, чем характеристики неформованного контакта.

44

Другим положительным свойством электроформовки является то, что с ее помощью удается направленно воздействовать на вид вольт-амперной характеристики точечного контакта.

По этим двум причинам технология всех существующих импульсных точечных диодов включает в себя в качестве обязательного и важнейшего элемента процесс электроформовки. Благодаря успехам диффузионной технологии некоторые типы плоскостных диодов смогли конкурировать с точечными по всем импульсным характеристикам и даже по емкости.

5.3.4. Сплавные диоды

Первые плоскостные полупроводниковые диоды изготавливались методом вплавления в исходный полупроводник сплавов, содержащих акцепторные и донорные примеси.

Как известно, в электронном германии и кремнии подвижность основных носителей заряда примерно в 2 – 2,5 раза больше, чем в дырочных полупроводниках. Вследствие этого при одинаковом удельном сопротивлении концентрация примесных атомов в электронных полупроводниках меньше, чем в дырочных, то есть полупроводники n-типа относительно «чище». Для p–n-переходов, полученных методом сплавления, характерно резкое различие величины электропроводности p- и n-областей, при этом всегда удельная электропроводность области полупроводника с измененным при сплавлении типом проводимости значительно больше, чем в исходном кристалле. Вследствие этого пробивное напряжение сплавных p–n-переходов однозначно определяется лишь концентрацией примесных донорных атомов ND в исходном полупроводнике.

Сплавные диоды из электронного полупроводника должны иметь в 1,5 раза большие пробивные напряжения, чем диоды, изготовленные из дырочного полупроводника такого же удельного сопротивления. Это положение подтверждается экспериментально во всех случаях, за исключением сверхвысоковольтных p–n-переходов, для которых определяющим становится пробой по поверхности.

При совершенствовании технологии кремниевых сплавных импульсных диодов были найдены простые методы снижения времени жизни дырок. Главнейшие из них заключаются в термозакалке кремния (выдержка при температуре 1 000 – 1 200 оС с последующим быстрым охлаждением), облучении его нейтронной радиацией, легировании золотом. Применение этих специальных мер по снижению времени жизни дырок позволяет изготавливать диоды со временем восстановления обратного сопротивления порядка десятых долей микросекунды.

Наиболее распространенным способом изготовления кремниевых сплавных p–n-переходов малой площади (до 0,5 – 1 мм2) является вплавле-

45

ние тонкой алюминиевой проволочки в кристалл кремния. В специальных графитовых кассетах торец алюминиевой проволочки приводится в соприкосновение с поверхностью кремниевого кристалла, к которому с другой стороны прижимается тонкая фольга из сплава золота с сурьмой. При нагреве кассеты в вакуумной печи до высокой температуры и некоторой выдержке происходит смачивание поверхности кремния алюминием и взаимное растворение их друг в друге. В процессе охлаждения части растворенного кремния выделяются из жидкой капли силумина (сплав кремний

– алюминий) и рекристаллизуются в виде монокристаллического слоя толщиной в несколько микрон на исходном монокристалле. Время выдержки выбирается обычно таким, чтобы рекристаллизованный слой кремния содержал предельную для данной температуры концентрацию

алюминия (в диапазоне температур 600 – 700 оС она составляет

6÷9·1018 см-3).

Таким образом, в результате сплавления образуется тонкая рекристаллизованная область кремния с резко выраженной дырочной проводимостью, между этой областью и исходным кристаллом n-типа возникает электронно-дырочный переход.

Одновременно с получением p–n-перехода при вплавлении золотой фольги в противоположную поверхность кристалла образуется слой рекристаллизованного кремния с повышенной электронной проводимостью (предельная растворимость сурьмы в кремнии при тех же температурах составляет 1 – 2·1019 см-3). Полученный переход типа n–n+ обладает свойствами омического контакта малого сопротивления к кремнию n-типа.

Описанная технология получения сплавного p–n-перехода применяется для получения выпрямительных и импульсных диодов, стабилитронов и варикапов.

Кремниевые сплавные импульсные диоды успешно применяются для переключения больших импульсов тока (до 0,5 – 0,8 А) в схемах с высокими питающими напряжениями (до 100 В) при среднем быстродействии (время переключения – порядка десятых долей микросекунды).

5.3.5. Диоды с золотой связкой

Значительно проще, чем при вплавлении индия, германиевые сплавные импульсные диоды получаются при использовании в качестве электрода тонкой золотой проволоки. Эти приборы, получившие название диодов с золотой связкой, иногда по чисто внешним признакам относят к точечным диодам, однако это вряд ли правильно, так как образующийся при сплавлении золота с германием контакт обладает всеми свойствами сплавного p–n-перехода малой площади.

46

Для получения p–n-перехода в диодах с золотой связкой используется метод микровплавления иглы в кристалл германия с разогревом места контакта импульсом электрического тока. Золото в качестве материала иглы выбирается из-за низкой температуры эвтектики системы «золото – германий» (356 оС), что позволяет получить сварной контакт без сильного перегрева германиевого кристалла.

При пропускании электрического импульса кончик иглы сплавляется с германием, а при охлаждении в месте контакта образуется рекристаллизованный слой германия дырочной проводимости.

В отличие от технологии точечных диодов импульс сварки значительно мощнее (амплитуда 1 – 3 А, длительность 0,1 – 0,5 с). Процесс сварки заканчивается после пропускания одного импульса тока.

Таким образом, и физически, и технологически процесс приварки золотой иглы к германию коренным образом отличается от электроформовки точечных диодов.

Для обеспечения высокой прямой проводимости диода с золотой связкой необходимо, чтобы рекристаллизованный p-слой германия имел низкое удельное сопротивление. С этой целью иглы изготавливаются из сплава золота с небольшой присадкой галлия, обладающего большим коэффициентом распределения и высокой предельной растворимостью в германии при всех температурах. Специальными исследованиями установлено, что оптимальный сплав для изготовления игл содержит порядка 1 % галлия. При дальнейшем повышении содержания галлия прямая проводимость диода заметно не увеличивается, но это приводит к возрастанию хрупкости иглы; при уменьшении концентрации галлия прямое сопротивление возрастает.

Германиевые диоды с золотой связкой изготавливаются с максимально допустимыми обратными напряжениями до 50 – 70 В, прямыми токами до нескольких сотен миллиампер при напряжении 1 В и емкостью порядка 1 пФ. Использование в качестве исходного материала германия, легированного золотом, позволяет получать приборы со временем восстановления в несколько десятков наносекунд.

5.3.6. Диффузионные диоды

Наиболее прогрессивная технология получения p–n-переходов импульсных диодов основана на использовании диффузии донорных и акцепторных примесей в твердый полупроводник при высокой температуре. Метод диффузии позволяет, по крайней мере принципиально, в очень точных пределах контролировать расположение p–n-перехода в кристалле, градиент примеси p–n-перехода, концентрацию примесей в p- и n-областях. Все

47

это обеспечивает высокую степень воспроизводимости и однородности электрических параметров диффузионных приборов.

Кроме этих общих преимуществ метод диффузии имеет и другие достоинства, играющие первостепенную роль при конструировании импульсных диодов. Идеально плоский фронт диффузии, который может быть получен при тщательной механической обработке поверхности полупроводника, в сочетании с контролируемой глубиной залегания p–n-перехода создает условия для получения тонкой однородной базовой области.

Поскольку по характеру распределения примесей диффузионный p–n-переход относится к плавным переходам, его зарядная емкость может быть значительно ниже, чем у равного по площади сплавного p-n-перехода, изготовленного на том же полупроводниковом материале. Пробивное напряжение для плавных p–n-переходов с постепенным изменением концентрации примесей также значительно выше, чем для структур с резким, ступенчатым распределением примесей.

Эти два обстоятельства позволяют при изготовлении диффузионных диодов использовать более низкоомный исходный материал, чем при изготовлении сплавных и точечных диодов.

Применение низкоомных полупроводников обеспечивает уменьшение прямого сопротивления как статического, так и импульсного. Кроме того, в низкоомном полупроводнике можно получить меньшие, чем в высокоомном, значения времени жизни неравновесных носителей заряда и соответственно более высокое быстродействие диода. Диоды на высокоомном материале характеризуются и рядом технологических преимуществ: они имеют большую максимально допустимую температуру, меньшие значения обратных токов и их лучшую стабильность во времени, меньший разброс параметров из-за большей однородности низкоомных монокристаллов по сравнению с высокоомными.

Важнейшей операцией при получении импульсного диода является создание мезаструктуры путем глубокого химического травления кристалла с омическим контактом в смеси пергидроли со щелочью.

Происхождение термина «мезадиоды» связано со следующим. После проведения диффузии и защиты отдельных участков поверхности специальными масками кристалл подвергается травлению, при котором стравливаются все диффузионные слои на незащищенной части поверхности. P–n-переходы остаются лишь внутри маленьких замаскированных областей, которые возвышаются над остальной поверхностью в виде столиков, имеющих в поперечном разрезе вид прямоугольника. Mesa означает по-испански стол. Поэтому подобные структуры назвали мезаструктурами, а приборы на их основе – мезадиодами и мезатранзисторами.

Контроль диаметра «шейки» осуществляется с помощью микроскопа. В последнее время этот трудоемкий метод контроля вытесняется более

48

производительными и точными косвенными методами, основанными на зависимости какого-либо из электрических параметров (например, Uпр) от

диаметра «шейки». По описанной технологии удается получать мезаструктуры в условиях массового производства с диаметром «шейки» от 70 до

200 мк.

При изготовлении германиевых диффузионных диодов в качестве исходного материала используется германий p-типа, а в качестве диффузанта

– сурьма. Это обусловливается тем, что в германии коэффициенты диффузии донорных примесей значительно превосходят коэффициенты диффузии акцепторных атомов.

Экспериментально установлено, что в кремнии, в отличие от германия, акцепторные примеси диффундируют быстрее, чем донорные, поэтому в качестве исходного материала для изготовления диффузионных импульсных диодов удобнее использовать кремний электронной проводимости.

Наиболее просто диффузионный процесс может быть осуществлен при использовании бора в качестве диффузанта. Практически диффузия проводится из борносиликатного стекла, покрывающего поверхность кремния, непосредственно на воздухе при температуре порядка 1 100 – 1 200 оС. Перед диффузией пластина кремния окисляется путем выдержки ее в течение 1 – 2 часов на воздухе при температуре выше 1 000 оС. Затем после охлаждения на окисную пленку с одной стороны пластины кремния наносится слой насыщенного раствора борного ангидрида в спирте. Использование спирта в качестве растворителя диффузанта обеспечивает хорошее смачивание поверхности кремния и гарантирует однородность слоя диффузанта на кремнии.

При последующем нагревании пластины кремния борный ангидрид спекается с пленкой двуокиси кремния, что приводит к образованию борносиликатного стекла в соответствии с реакцией

xB2O3 ySiO2 BxSiyOz .

Иногда для образования борносиликатного стекла не требуется предварительного окисления кремния, а достаточно той окисной пленки, которая образуется в начале диффузионного отжига.

Наличие на поверхности кремния спекшейся с ним плотной стекловидной пленки обеспечивает одинаковую по всей площади поверхностную концентрацию бора, а также защиту от проникновения в кристалл других активных примесей. Этим достигается однородность распределения атомов бора в объеме кремния.

Легирование кремния золотом для эффективного уменьшения времени жизни неравновесных носителей заряда осуществляется так же, как и в германии, путем диффузии золота из тонкого слоя толщиной в несколько

49

сотен ангстрем (1 Å=10 10 м), полученного вакуумным напылением. Введение золота проводится после получения p–n-перехода, так как из-за наличия борносиликатного стекла вести оба процесса одновременно затруднительно.

5.3.7.Тепловые характеристики импульсных диодов

Вдиоде с ростом температуры особенно заметно увеличивается обратный ток, и при некоторой температуре, которую назовем максимальной,

р–п-переход практически полностью теряет свои выпрямляющие свойства. Для германиевых диодов эта температура лежит в пределах 70 – 120 оС, для кремниевых – в интервале 150 – 250 оС и зависит от удельного сопротивления исходного материала.

Предельная рабочая температура, разумеется, должна быть ниже ука-

занных максимальных значений и для подавляющего большинства диодов установлена равной: +70 оС – для германиевых диодов и +120 оС – для кремниевых.

Разогрев диода осуществляется как за счет повышения температуры окружающей среды, так и вследствие выделения некоторой тепловой мощности в самом диоде при протекании через него электрического тока. При этом величина перегрева p–n-перехода диода относительно окружающей среды зависит и от количества выделяющегося тепла, и от характера теплоотвода, который определяется конструкцией прибора и условиями его эксплуатации. Изучение тепловых свойств диодов, прежде всего, позволяет определить степень влияния повышения электрической мощности на рост температуры p–n-перехода и соответственно его обратного тока. Изучение тепловых свойств необходимо для правильного, обоснованного выбора величины максимально допустимого тока диода при различной температуре окружающей среды.

Для большинства импульсных диодов характерны малая площадь p–n-перехода, затрудненные условия теплоотвода, а также необходимость работы с относительно мощными токовыми импульсами.

Можно считать, что при протекании прямого тока через диод тепло выделяется только в области p–n-перехода и базы (т.е. в части кристалла между омическим контактом и p–n-переходом), так как сопротивление токоотводящих металлических электродов неизмеримо меньше сопротивлений этих областей. Поскольку в большинстве импульсных диодов сопротивление базы определяется главным образом ее участками, непосредственно примыкающими к p–n-переходу (например, в точечных диодах сопротивление шарового слоя радиусом 3r0 составляет 70 % всего сопротив-

ления базы), приближенно можно считать, что вся тепловая мощность выделяется в области p–n-перехода. Это утверждение тем вернее, чем мень-

50