11. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ»  МИНСК, 2008

Диоды - полупроводниковые приборы, которые пропускают ток в одном направлении, а в обратном имеют большое сопротивление. Рис. 1. Принцип работы р-n перехода:  а) диффузионный и дрейфовый токи через переход; б) графики распределения концентраций носителей заряда в p и n областях (Nnn, Npp - концентрации основных носителей, Nnp, Npn - концентрации неосновных носителей); в) диаграммы потенциала p и n областей. С увеличением температуры растёт концентрация неосновных носителей заряда и уменьшается высота потенциального барьера. При U_AK = 0 существует баланс диффузионной и дрейфовой составляющих токов через переход i_диф = i_др = I_S(T)  I_пр = I_обр  I_ = I_пр - I_обр = 0  При прямом смещении р-n - перехода U_AK > 0 появляется прямой ток, определяемый основной диффузионной составляющей I_пр = i_диф – i_др >0  При U_AK < 0 появляется обратный ток, определяемый дрейфовой состовляющей I_обр = i_др - i_диф > 0.  Т.к. p-n - переход при обратном смещении закрывается из-за увеличения ширины ОПЗ и i_диф → 0, то I_обр = i_др = I_S(T). Поскольку диффузионная составляющая тока через p-n - переход хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией вида i_диф = I_S(T)e^UAK/mUT ,  а дрейфовая составляющая описывается как i_др = I_S(T), то исходя из того, что при U_AK > 0 I_пр = i_диф – i_др = I_S(T)e^UAK/mUT - I_S(T)  получим выражение I_пр = I_S(T)(e^UAK/mUT - 1), описывающее прямую ветвь ВАХ диода (рис. 2) Рис. 2. ВАХ кремниевого диода (штриховой линией показана смещённая ВАХ при увеличении температуры p - n перехода) Здесь I_S(T) - тепловой ток, определяющий масштаб ВАХ диода. Термин "тепловой" отражает сильную температурную зависимость тока I_S(T), а также тот факт, что он равен нулю при абсолютном нуле температуры. Другим распространённым термином является "обратный ток насыщения", происхождение которого связано с тем, что при отрицательном напряжении  >> mU_T обратный ток диода равен - I_S(T) и не зависит от U_AK . Обычно для германиевых диодов I_S 1 - 0.1 мкА, а для кремниевых I_S 1 - 0.1 пА. mU_T - тепловая разность потенциалов, возникающая в области p-n-перехода при нулевом внешнем напряжении и равновесии дифузионного и дрейфового токов, где ; m = 10.30 - поправочный коэффициент. Обычно для расчётов равновесного p-n–перехода тепловую разность потенциалов принимают равной mU_T = 300 мВ для Ge-диодов и 600 мв для Si-диодов. I_S(T) и U_T зависят от Т, что приводит, в общем, к отрицательной температурной зависимости прямого напряжения на диоде U_AK от температуры. Температурный коэффициент прямого напряжения на переходе имеет отрицательное значение: I_пр = I_О (e(U_AK - aDT)/mU_{T -} 1) .  Смысл последнего выражения заключается в том, что для того, чтобы определить значение I_пр при увеличении Т, но при этом не вычисляя новое значение I_S(T), которое также должно увеличится, необходимо значение U_AK с учетом отрицательного температурного коэффициента a увеличить на 2 мВ на каждый градус К. Это будет удобно для дальнейших расчетов I_пр, когда при условно принятом I_S(T)=const его значение I_S(T) можно будет сократить в относительных формулах. Выпрямительные свойства диодов показаны на рис. 3, отображающем элементарную схему однополупериодного выпрямителя переменного напряжения. Рис. 3. Выпрямление диодом переменного напряжения Если на анод диода подать переменное напряжение U_вх с амплитудой U_m, то на резисторе нагрузки R_Н будет выделяться выходное напряжение U_вых, соответствующее только одному полупериоду U_вх. Амплитуда положительного полупериода будет равна U_m, а амплитуда отрицательного полупериода будет зависить от I_обр. Динамический режим работы диодов характеризуются его переключающими свойствами. Переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, т.к. при этом p-n-переход должен освободиться от инжектированных неосновных носителей ( в p-области - от электронов, и в n-области - от дырок), которые должны рекомбинировать в области объемного заряда и тем самымвосстановить потенциальный барьер. Для этого нужно определенное время - время «рассасывания», которое тем больше, чем больше был прямой ток. Для маломощных диодов , для мощных диодов эта величина находится в диапозоне микросекунд (5-7 мкс). Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шоттки с переходом металл-полупроводник. Диод Шотки. Принцип действия диода Шотки основан на работе барьерного перехода, возникающего в зоне контакта металл-полупроводник. Свойства этого контакта зависят от отношения работ выхода электрона в металле и полупроводнике. Если А_{вых Ме} > A_{вых п/п}, то в зоне контакта возникает выпрямляющий переход (рис. 5). В этом случае избыток электронов будет в полупроводнике и они, перемещаясь за счёт диффузии в приконтактную область металла, создают обеднённую область в полупроводнике, которая и обладает выпрямляющими свойствами. Если А_{вых Ме} < A_{вых п/п}, то контакт металл-полупроводник получается не выпрямляющим и он применяется специально для улучшения контакта металла с полупроводником в качестве контактной площадки в ИС. Рис. 4. Работа диода в импульсном режиме Рис. 5. Контакт Ме - п/п с выпрямляющими и невыпрямляющими свойствами Улучшение динамических свойств диода Шоттки объясняется тем, что в обоих областях по разные стороны выпрямляющего контакта Ме-п/п присутствуют основные носители заряда одного типа - электроны и так как инжекции дырок в полупроводник не происходит в прямом направлении, то нечему рассасываться в момент закрытия барьерного перехода, что происходит практически мгновенно (0,1 нс и менее F_раб = 3-15 ГГц). Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, обладающие большой крутизной обратной ветви ВАХ (рис. 6) в области напряжения лавинного пробоя U_проб.  Рис. 6. Принцип стабилизации напряжения с помощьюполупроводникового стабилитрона При ограниченном токе пробоя у такого диода наступает эффект стабилизации напряжения, который основан на том, что большое изменение тока DI, протекающего через него, вызывает малое изменение напряжения на нем DU. Стабилизация тем лучше, чем круче идет обратная ветвь ВАХ и, соответственно, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона Стабилизирующие свойства параметрического стабилизатора на стабилитроне характеризуется коэффициентом стабилизации: Чтобы не произошёл необратимый тепловой пробой стабилитрона, его ток I_ст ограничивают с помощью ограничительного резистора R_огр :  ,  Стабисторы - те же стабилитроны, но используют прямую ветвь ВАХ для стабилизации малых напряжений (U_ст ≈ 0,6 В). Варикапы - полупроводниковые диоды, используемые в качестве конденсаторов, с управляемой по напряжению ёмкостью. Емкость p-n-перехода диода с увеличением обратного напряжения уменьшается за счет расширения области пространственного заряда p-n-перехода (рис. 7). При U_AK = 0 на Si-диоде ширина p-n-перехода равна l₀ = 0,6 мкм, на Ge - 0,4 мкм. При увеличении обратного напряжения U_AК увеличивается l₀, а, следовательно, уменьшается С. Рис. 7. Вольт-фарадные характеристики для различных варикапов Максимальная емкость варикапа в зависимости от его типа составляет 5-300 пФ. Отношение минимальной и максимальной емкостей обычно равно 1:5. Варикапы используются для построения колебательных контуров с управляемой напряжением резонансной частотой в области СВЧ (рис. 8).   Рис. 8. Колебательный контур на варикапе Туннельные диоды отличаются от обычных диодов тем, что могут усиливать сигналы подобно транзисторам. Это объясняется наличием участка с отрицательным сопротивлением на их вольт-амперной характеристике (рис. 9). Отличительной особенностью туннельного диода являются очень малые удельные сопротивления p - и n-слоев и, соответственно, очень малая ширина перехода - 0,01 ... 0,02 мкм. Концентрация примесей в слоях достигает 10¹⁹ см ^{- 3} и больше. В этом случае полупроводник вырождается, превращаясь в полуметалл. Уровни примесных атомов сливаются в зоны, а те в свою очередь сливаются с соответствующими основными зонами слоев. В результате уровни Ферми, как и в металле располагаются не в запрещенных зонах p - и n-слоев, а в разрешенных зонах: в валентной зоне p-слоя и в зоне проводимости n-слоя. При этом энергетическая диаграмма симметричного перехода в равновесном состоянии будет примерно такой, как показано на рис. 11а. Как видим, нижняя часть зоны проводимости в n-слое и верхняя часть валентной зоны в p-слое оказались разделенными весьма узким запорным слоем, что позволяет переходить носителям в смежный слой сквозь переход, т.е. не преодолевая потенциальный барьер. Это явление обусловлено туннельным эффектом, откуда и происходит название диодов. Рис. 9. Статическая характеристика туннельного диода. В равновесном состоянии потоки электронов из зоны проводимости n-слоя и валентной зоны p-слоя уравновешиваются и ток через переход отсутствует (рис. 10а). Приложим к диоду внешнее напряжение обратной полярности (т.е. плюсом к n-слою). Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 10б). Т.к. количество электронов с энергией, превышающей уровень Ферми, невелико, то поток электронов из p-слоя в n-слой увеличится, а обратный ток останется почти неизменным. Следрвательно, результирующий ток будет протекать в направлении от n-слоя к p-слою. Этот ток быстро возрастает с увеличением обратного напряжения, поскольку плотность электронов в глубине валентной зоны огромна и малейшее приращение разности j_Fp - j_Fn сопровождается существенным изменением потока электронов из p-слоя в n-слой. Теперь приложим к диоду небольшое прямое напряжение. Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 10в). Легко заметить, что поток электронов из p-слоя в n-слой сильно убывает, а обратный поток меняется сравнительно слабо. Следовательно, результирующий ток протекает в направлении от p-слоя к n-слою и при небольших прямых напряжениях возрастает с увеличением напряжения (рис 9). Граница этого участка приблизительно соответствует диаграмме на рис. 10в), на которой уровень Ферми j_Fn совпадает с потолком валентной зоны p-слоя (участок 0–1). Рис. 10. Энергетические диаграммы туннельного диода на разных участках ВАХ: а) равновесное состояние (ток через переход отсутствует); б) обратное включение (участок ВАХ левей точки 0); в) прямое включение при малых прямых напряжениях (участок ВАХ между точками 0 и 1); г) прямое включение при средних напряжениях (участок ВАХ между точками 1и 2); д) прямое включение при больших напряжениях (участок ВАХ между точками 2 и 3 и правее) При дальнейшем увеличении прямого напряжения поток электронов из n-слоя в p-слой убывает (рис. 10г) и, соответственно, убывает прямой ток. В результате на ВАХ получается участок с отрицательным сопротивлением (рис. 9, точки 1-2). Конец этого участка соответствует такому напряжению, при котором потолок валентной зоны в p-слое совпадает с дном зоны проводимости в n-слое. При ещё большем напряжении запрещённая зона делается “сквозной”, туннельный эффект исчезает и ток снова увеличивается, но уже за счёт обычного механизма преодоления электронами потенциального барьера (рис. 10д). Таким образом, ВАХ туннельного диода (рис. 9.) складывается из двух частей: туннельной (левее точки 2) и диффузионной (правее точки 2). Диффузионная часть, как и в обычном диоде, обусловлена инжекцией и описывается выражением Диоды этого типа нашли применение в переключателях тока, усилителях и генераторах колебаний СВЧ-диапазона, в преобразователях частоты и других устройствах. Интересным вариантом туннельного диоба является так называемый обращённый диод, ВАХ которого показана на рис. 11. Рис. 11. Статическая характеристика обращённого диода Как видим, особенность этого диода состоит в том, что на прямой ветви отсутствует (или очень мал) максимум. В этом случае логично повернуть характерисику на 180⁰ (показана пунктиром) и считать прямую ветвь обратной, а обратную - прямой. При этом, обращённый диод имеет значительно меньшее прямое (т.е. на самом деле - обратное) напряжение, чем обычные диоды (оно составляет величины порядка 0,01...0,1 В в отличие от 0,4... 0,6 В для обычных диодов), что очень ценно для многих применений. Однако его обратное (т.е. на самом деле - прямое) напряжение тоже весьма мало (0,3... 0,6 В) и с этим нужно считаться при расчёте схем. Диоды этого типа применяются в детекторах и смессителях сигналов СВЧ диапазона.

11.1А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств^[1]. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

• Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов^[2].

• Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом», англ. Plum pudding model). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.

• Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.

• Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году^[3] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучатьэлектромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

11.2 Энергетические уровни и зоны

В соответствии с квантовой теорией энергия электрона, вращающегося по своей орбите вокруг ядра, не может принимать произвольных значений. Электрон может иметь только вполне определенные дискретные или квантованные значения энергии и дискретные значения орбитальной скорости. Поэтому электрон может двигаться вокруг ядра только по определенным (разрешенным) орбитам (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Разрешенные орбиты электрона в атоме водорода

Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона или энергетический уровень. Энергетические уровни отделены друг от друга запрещенными интервалами (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Энергетические уровни атома водорода

Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне не может находится более двух электронов, причем спины этих электронов должны быть противоположны. В невозбужденном состоянии электроны в атоме находятся на ближайших к ядру орбитах и в таком состоянии находятся до тех пор, пока какое-либо внешнее воздействие не сообщит атому добавочную энергию. При поглощении энергии атомом какой-либо электрон может перейти на один из более высоких свободных уровней, либо вовсе может покинуть атом, став свободным носителем электрического заряда, а атом при этом превращается из нейтрального в положительно заряженный ион.

11.3. Проводники, изоляторы, полупроводники

Все вещества (тела) состоят из атомов имолекул. Атом имеет положительно заряженное ядро и отрицательно заря­женные электроны, совершающие орбитальные движения

вокруг ядра. Если суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду, то атом электрически нейтрален. Порядковый номер элемента в периодической таблице Менделеева определяется числом электронов нейт­рального атома. Электрический заряд электрона (элемен­тарный заряд) равен —1,6 ·10-¹⁹ Кл. Заряд ядра по абсо­лютному значению равен заряду электрона, умноженному на число электронов нейтрального атома.

Электроны атомов обычно находятся на определеных орбитах. Электроны, находящиеся на внутренних орбитах, относительно прочно связаны с ядром атома. Электроны, находящиеся на внешних орбитах (валентные электроны), сравнительно легко могут отделяться от атома, после чего становятся «свободными» или соединяются к другому атому или молекуле. Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом, а атом, при­соединивший электроны, — отрицательным ионом. Процесс образования ионов называется ионизацией. Количество но­сителей заряда — свободных электронов или ионов — в еди­нице объема вещества принято называть концентрацией но­сителей заряда.

Электрический ток проводимости — это явле­ние упорядоченного (направленного) движения заряжен­ных частиц. Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется элек­тропроводностью. Электропроводность вещества за­висит от концентрации носителей заряда: чем выше кон­центрация, тем больше электропроводность. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на провод­ники, диэлектрики и полупроводники.

Основным свойством проводящих веществ (материа­лов), или проводников, является их высокая электро­проводность. Проводники делятся на два рода. В провод­никах первого рода, к которым преимущественно относятся все металлы и их сплавы, электрический ток создается пе­ремещением только электронов — это проводники с элект­ронной проводимостью. Прохождение тока в них не сопро­вождается химическими изменениями материала проводни­ка. Лучшими проводниками являются серебро, медь, алюминий.

Согласно классической электронной теории высокая электропроводность металлов объясняется наличием в них огромного количества свободных электронов — электронов проводимости, находящихся в состоянии беспорядочного

движения и заполняющих объем проводника наподобие га­за— электронного газа. При движении электроны сталки­ваются с ионами неподвижной кристаллической решетки, состоящей из атомов вещества; направление их дви­жения, скорость, кинетическая энергия при этом изменя­ются.

Если в таком проводнике существует электрическое по­ле, то на заряды проводника действуют силы этого поля. Направление сил, действующих на положительные заряды, совпадает с направлением поля, а действующих на отрица­тельные заряды, — противоположно направлению поля. В результате наступает упорядоченное движение свобод­ных электронов в одном направлении, т. е, в проводнике возникает ток (проводимости).

Проводники второго рода, или проводники с ионной про­водимостью, представляют собой расплавы некоторых со­лей и водные растворы кислот, солей, щелочей и др. В расплавах и растворах независимо от прохождения тока про­исходит распад их нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы (электролитическая диссоциация). Положительными ионами являются ионы металлов и водо­род, отрицательными — кислотные остатки и гидроксильная группа (ОН). Расплавы и растворы веществ, состоя­щие частично или полностью из ионов, называются еще электролитами. При отсутствии внешнего электрического поля ионы и молекулы находятся в состоянии хаотического движения.

Если в таком проводнике создать электрическое поле, то силы поля вызовут движение положительных ионов в на­правлении поля, а отрицательных — в противоположном направлении. Их упорядоченное движение и представляет собой ток (проводимости) в электролите.

Диэлектриками (изоляторами) называются вещества (материалы), в которых при нормальных услови­ях (невысокие температуры и отсутствие сильных электри­ческих полей) имеется ничтожное количество свободных электрически заряженных частиц; вследствие этого они обладают ничтожной электропроводностью, которой во многих случаях можно пренебречь. К числу изоляторов от­носятся некоторые газы и жидкости — минеральные масла, лаки, а также большое число твердых материалов, за ис­ключением металлов, их сплавов и угля. Однако при неко­торых условиях, например при действии высоких темпера­тур или сильных электрических полей, в диэлектриках возможны расщепление молекул на ионы и потеря ими изолирующих свойств.

Полупроводники (полупроводящие вещества или материалы) по своей электропроводности занимают проме­жуточное место между проводниками и изоляторами. К по­лупроводникам относятся кремний, германий, теллур, селен, окислы металлов, соединения металлов с серой и т. д.

Полупроводники обладают рядом характерных свойств, электропроводность их и концентрация свободных носите­лей заряда в сильной степени зависят от температуры, осве­щенности, электрических полей, примесей и др. Отличительные особенности полупроводников объясняются тем, что кроме электронной электропроводности, вызываемой электронами проводимости, они обладают еще так называе­мой дырочной электропроводностью. Последняя вызва­на перемещением под действием электрического поля «дырок», т. е. не занятых валентными электронами мест в атомах (из-за перемещения от атома к атому валентных электронов), что равноценно перемещению положительно заряженных частиц, заряды которых по абсолютному зна­чению равны зарядам электронов.

В настоящее время свойства полупроводников использу­ются в большом количестве весьма разнообразных прибо­ров и устройств (полупроводниковые диоды и триоды, фо­торезисторы и т. п.).