3. Напівпровідникові діоди

В розділі «Напівпровідникові діоди» наведені необхідні теоретичні відомості та приклади розв’язування завдань з даної теми. В ньому розглядаються наступні питання - електронно-дірковий перехід, контактна різниця потенціалів, вольт-амперні характеристики ідеального і реального переходів.

3.1. Електронно-дірковий перехід

Електричним переходом називають шар, який виникає при контакті твердих тіл з різними типами або значеннями електричної провідності. На межах переходу виникає контактна різниця потенціалів, яка носить назву потенціальний бар’єр, або дифузійний потенціал, величина якої визначається різницею рівнів Фермі в матеріалах до контакту.

Переходи виготовляють не механічно, а з допомогою різних технологічних методів (вплавленням, напиленням, дифузією, епітаксією тощо). В електроніці застосовують контакти між двома металами, металом і діелектриком або напівпровідником, двома напівпровідниками, напівпровідником і діелектриком. Перехід, який виникає при контакті напівпровідників з дірковою і електронною провідністю називають переходом або електронно-дірковим переходом. Існують симетричні та несиметричні переходи. Симетричний перехід це перехід, в якому концентрації акцепторів і донорів в контактуючих напівпровідниках однакові. Він застосовуються значно рідше, ніж несиметричний. В несиметричному переході концентрація донорів в шарі на декілька порядків більша, ніж концентрація акцепторів в шарі. Більш легований шар називають емітером, менш легований - базою.

Якщо до переходу не прикладається зовнішня напруга, то він знаходиться в рівноважному стані, тобто через перехід струм не тече. На рис.8 схематично зображено такий перехід, де пунктиром позначена металургійна межа, на якій концентрації донорних і акцепторних домішок однакові праворуч від межі, де , розташований шар з електронною провідністю ліворуч, від межі, де , розташований шар з дірковою провідністю.

В шарі основних рухливих носіїв заряду електронів значно більше, ніж неосновних носіїв дірок : , де – концентрація електронів в шарі в рівноважному стані. Індексом позначається рівноважний стан; – концентрація неосновних носіїв в шарі в рівноважному стані. В шарі відповідно .

При створенні переходу виникає перепад концентрацій рухомих носіїв заряду. Права межа переходу називається емітерною межею, ліва – базовою межею переходу. Концентрація електронів на емітерній межі , на базовій межі і _. Концентрація дірок на базовій межі , а на емітерній межі і .

Рис. 8. P-n перехід і потенціальна діаграма в рівноважному стані

3.2. Контактна різниця потенціалів

Перепад концентрації спричиняє дифузію рухливих носіїв заряду в напрямі від більшої концентрації до меншої, тобто електрони з шару , де їх більше переходять в шар , де їх менше, а дірки з в . Через перехід тече дифузійний струм, створений основними носіями. Шари і , які прилягають до металургійної межі (рис.8), збіднюються основними носіями. Перехід з шириною називають збідненим шаром. В шарі залишається нескомпенсований заряд, створений нерухомими позитивними іонами донорних домішок з концентрацією , а в – нескомпенсований заряд, створений нерухомими негативними іонами акцепторних домішок з концентрацією . Нескомпенсований позитивний нерухомий об’ємний заряд, створений іонами донорів в шарі дорівнює

,

де –заряд електрона, –площа переходу.

а заряд, створений нерухомими іонами акцепторів в шарі

.

Нерухомі заряди, створені іонами в шарах і однакові: , а оскільки , то з цього випливає, що

, і при , ,

тобто в несиметричному переході перехід зосереджений у високоомному шарі, базі

Процес дифузії породжує виникнення нескомпенсованих зарядів іонів , які створюють електричне поле в переході, виникає контактна різниця потенціалів між емітерною і базовою межами переходу з напрямом, який відображено на рис.8. Ця різниця носить ще назву дифузійний потенціал, що відображає природу її виникнення, а також потенціальний бар’єр, бо поле переходу протидіє переносу основних носіїв через збіднений шар .

Контактна різниця потенціалів не є бар’єром для неосновних носіїв і , які під дією поля переходу вільно переходять в суміжні шари і створюють дрейфовий струм через перехід. В рівноважному стані струм через перехід не тече, що можливо тоді, коли струм, створений дифузією основних носіїв дорівнює дрейфовому струму, створеному неосновними носіями

,

Величина контактної різниці потенціалів в рівноважному стані визначається виразом:

.

Контактна різниця потенціалів залежить від температури. Із збільшенням температури вона зменшується. При збільшенні температури зростають концентрації неосновних носіїв і , тому що вони пропорційні квадрату комцентрації власних носіїв . Концентрації основних носіїв в робочому діапазоні температур напівпровідника залишаються практично незмінними , .

При збільшенні температури збільшується власна провідність, через стрімке зростання , а роль домішкової провідності зменшується. Відбувається теплове виродження переходу. Концентрації неосновних носіїв , зростають, концентрація основних носіїв , залишаються практично незмінними, відношення та наближаються до одиниці, а логарифм цих відношень прямує до 0, тобто . Це означає, перехід практично зникає і замість нього виникає напівпровідник з власною провідністю.

В рівноважному стані перехід характеризують максимальною напруженістю електричного поля на металургійній межі, шириною переходу, потенціальною діаграмою.

Максимальна напруженість електричного поля визначається як ,

де – діелектрична проникність вільного простору, – діелектрична проникність напівпровідника.

Ширина переходу дорівнює

.

Для несиметричного переходу ширина переходу залежить від концентрації і перехід зосереджений в високоомній базі : .

Потенціальна діаграма переходу в рівноважному стані представлена на рис.8б.

На перехід не подається зовнішня різниця потенціалів, струм через перехід не тече, це рівноважний стан переходу. Рівноважний стан характеризується відсутністю градієнта рівня Фермі, тобто рівень Фермі на потенціальній діаграмі горизонтальний. Перехід обмежений пунктирними лініями. Ліворуч від переходу розташована потенціальна діаграма - шару, праворуч - шару.

Контактна різниця потенціалів, потенціальний бар’єр в рівноважному стані визначається як різниця електростатичних потенціалів та , де електростатичний потенціал зони – це середина забороненої зони.

.

В нерівноважному стані до переходу прикладається зовнішня різниця потенціалів . Якщо вона напрямлена проти контактної різниці потенціалів (рис.9а), то це зменшує потенціальний бар’єр для основних носіїв заряду , – потенціальний бар’єр в рівноважному стані. Це пряме ввімкнення переходу. При прямому зміщенні зовнішня різниця потенціалів протилежна контактній різниці потенціалів , потенціальний бар’єр в переході зменшується. Перехід насичується рухомими основними носіями, опір його зменшується , через перехід тече дифузійний струм, створений основними носіями. Ширина переходу зменшується, тому що основні носії під впливом зовнішньої напруги наближаються до металургійної межі. Основні носії - шару потрапляють в - шар, де вони є неосновними. Цей процес називають інжекцією неосновних носіїв заряду. Це відповідно відбувається і з дірками - шару.

Рис. 9. Пряме (а) та зворотне (б) зміщення переходу

При зворотному ввімкненні переходу (рис.9б) потенціальний бар’єр для основних носіїв зростає , тому що зовнішня різниця потенціалів протидіє проходу основних носіїв через перехід. Основні носії відходять до металургійної межі, перехід розширюється і ще більше збіднюється рухомими носіями заряду. Опір його зростає. Через перехід тече незначний зворотний струм , створений неосновними рухливими носіями заряду.