Аналоговая электроника

3.Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1990 г.

4.Электротехника и электроника: Учебник для вузов. В 3-х кн. Кн. 1.

Электрические и магнитные цепи, Под ред. В.Г. Герасимова. – М. Энерго-

атомиздат, 1998 г.

21

2.Полупроводниковые диоды и их характеристики

2.1.Теоретическая часть

2.1.1.Основные сведения о p–n переходе

Электронно-дырочный p n переход является основным элементом большинства полупроводниковых приборов. Он представляет собой пере-

ходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых

имеет электронную, а другая дырочную электропроводность.

Рассмотрим процесс образования p n перехода при отсутствии

внешнего напряжения (равновесное состояние). Напомним, что в p об-

ласти имеются два вида основных носителей заряда: неподвижные отрица-

тельно заряженные ионы атомов акцепторной примеси и свободные, поло-

жительно заряженные дырки. В n области также имеются два вида основ-

ных носителей заряда: неподвижные положительно заряженные ионы ато-

мов донорной примеси и свободные, отрицательно заряженные электроны.

До соприкосновения p и n областей все вышеперечисленные носители за-

рядов распределены равномерно. При контакте, на границе p и n областей возникает градиент концентрации свободных носителей заряда и диффу-

зия. В процессе диффузии электроны (дырки) из n p области переходят в p n область и там рекомбинируют с дырками (электронами). В ре-

зультате такого движения свободных носителей заряда их концентрация на границе раздела p и n областей убывает почти до нуля. В p области об-

разуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной при-

меси, а в n области положительный пространственный заряд ионов до-

норной примеси. Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов k и электрическое поле Ek , которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины p и n областей через p n пере-

ход (см. рис. 1а). Область, объединённая свободными носителями заряда

22

со своим электрическим полем и называется электрическим p n перехо-

дом. Он характеризуется двумя основными параметрами.

Рис. 1. p n переход при отсутствии внешнего напряжения: а) – поперечное сечение; б) – зависимость концентрации основных носителей заряда от ширины p n перехода; в) – распределение потенциала по ширине p n–перехода

1. Высота потенциального барьера. Она определяется контактной

разностью потенциалов k (рис. 1в), обусловленной градиентом концен-

трации носителей заряда. k определяет энергию, которой должен обла-

дать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер, опреде-

ляемый соотношением:

электрона; Na и Nд - концентрации акцепторов и доноров в дырочной и

электронной областях соответственно; pp и pn - концентрации дырок в p

23

и n областях соответственно (см. рис. 1б); ni - собственная концентрация носителей заряда в нелегированном полупроводнике.

Величина Т kT называется тепловым потенциалом. Например, при e

температуре Т 27 С Т 25мВ.

Характерные значения контактной разности потенциалов составляют для германиевого перехода k 0,3 0,5 В , для кремниевого k 0,6 0,8 В.

На рис. 1в показано характерное распределение потенциала по ширине

p n перехода.

2. Ширина p n перехода. Она представляет собой приграничную

область, обеднённую свободными носителями заряда, которая располага-

ется в p и n областях (см. рис. 1а):

Обычно ширина p n перехода имеет порядок 0,1 10 мкм.

Если Na Nд , то lp ln и в этом случае p n переход называется симметричным. Если Na Nд , то ln lp и p n переход называется несим-

метричным, причём он в основном располагается в высокоомной n–

области полупроводника с меньшей (по сравнению с p –областью) концен-

трацией примеси.

В равновесном состоянии через p n переход движутся два встреч-

ных потока зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток jдр , обуслов-

ленный неосновными носителями заряда и диффузионный ток jдиф , кото-

рый обусловлен основными носителями заряда. Так как внешнее напряже-

24

ние отсутствует, то эти токи взаимно уравновешиваются и результирую-

щий ток равен нулю:

полняется только при определенном значении контактной разности потен-

циалов k , удовлетворяющей выражению (1).

Если к p n переходу подключить внешнее напряжение, то условие динамического равновесия токов (5) будет нарушено. В зависимости от

щённым в прямом направлении, если положительный полюс внешнего ис-

точника питания подключен к p области, а отрицательный к n области

(см. рис. 2).

Рис. 2. p n переход при прямом смещении

В случае прямого смещения, внутреннее электрическое поле в пере-

ходе Ек направлено встречно электрическому полю создаваемому источ-

ником питания U . При этом результирующее напряжение на p n перехо-

де убывает до величины k U . Это приводит к тому, что напряженность

25

электрического поля также убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Кроме того, при прямом смещении происхо-

дит уменьшение ширины p n перехода, так как, в соответствии с (4), lp n k U 12 . Ток диффузии, ток основных носителей заряда, в этом слу-

чае становится много больше дрейфового. Таким образом, через p n пе-

реход протекает прямой ток:

переходят в n область, где становятся неосновными. Диффузионный про-

цесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным то-

ком или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда,

накапливающихся в p и n областях во внешней цепи, возникает электрон-

ный ток от источника напряжения. То есть принцип электронейтральности сохраняется.

При увеличении напряжения U , ток резко возрастает и может дости-

гать больших величин, так как связан с основными носителями заряда,

концентрация которых велика. Ток через прямо смещенный p n переход

определяется соотношением:

щённым в обратном направлении, если положительный полюс внешнего источника питания подключен к n области, а отрицательный к p области

(см. рис. 3).

26

При этом электрическое поле источника питания суммируется с внутренним полем перехода, что приводит к увеличению высоты потенци-

ального барьера до величины k U . Напряженность электрического поля

Рис. 3. p n переход при обратном смещении

также возрастает, и, так как в соответствии с (4) lp n k U 12 , то проис-

ходит увеличение ширины p n перехода. Процесс диффузии полностью прекращается и через p n переход протекает дрейфовый ток, ток неос-

новных носителей заряда. Такой ток называют обратным, а поскольку он связан с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет тер-

могенерации, то его называют тепловым током и обозначают I0 т.е.:

носителями заряда, концентрация которых мала по сравнению с концен-

трацией основных носителей заряда. Таким образом, p n переход облада-

ет односторонней проводимостью.

При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной.

Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубины p и n

областей к границе p n перехода. Достигнув ее, неосновные носители за-

ряда попадают в сильное электрическое поле и переносятся через p n пе-

реход, где становятся основными носителями заряда. Данное явление, на-

27

зывается экстракцией. Экстракция и создает обратный ток p n перехода – ток неосновных носителей заряда. Величина обратного тока сильно зави-

сит: от температуры окружающей среды, а также материала полупровод-

ника.

Температурная зависимость обратного тока определяется формулой:

где Т0 - номинальная температура, Т - фактическая температура, Т* - тем-

пература удвоения теплового тока:

Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия (на 3-4 порядка). Это связано с величиной k

(у кремния больше ширина запрещенной зоны, следовательно, меньшая концентрация неосновных носителей заряда при фактической температуре

Т ) материала.

Таким образом, мы установили, что главное свойство p n перехода

–это его односторонняя проводимость.

2.1.2.Вольт – амперная характеристика полупроводникового диода

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним ходом, имеющий два омических вывода (см. рис. 4а). На рис. 4б приведено

условное графическое обозначение (УГО) полупроводникового диода для электрических схем. Одна из областей p n структуры p , называется эмиттером или анодом (данное название используется более часто), другая область n , называется базой или катодом.

28

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда, поэтому обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс.

Одним из наиболее важных параметров является дифференциальное сопротивление диода, представляющее собой отношение приращения на-

пряжения на диоде к вызванному им приращению тока:

rдиф dU Т .

dI I

В том случае, когда обратное напряжение диода превышает опреде-

ленное критическое значение, наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 6). Данное явление называется пробоем диода.

Пробой диода может возникнуть в двух случаях.

1. В результате действия сильного электрического поля в p n пере-

ходе. Такой пробой называется электрическим. Он может быть лавинным -

кривая 1, или туннельным - кривая 2 (см. рис. 6).

2. В результате разогрева p n перехода при протекании тока боль-

шого значения и при недостаточном отводе тепла (рис. 6 кривая 3). Такой пробой называется тепловым пробоем.

Рис. 6. Пробой полупроводникового диода

30