Тема 2. Напівпровідникові прилади

2.1. Принцип дії пп діодів

Напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий прилад з одним випрямляючим електричним переходом і двома висновками, в якому використовується та або інша властивість електричного переходу.

Як випрямляючий електричний перехід в напівпровідникових діодах може бути електронно-дірчастий перехід, гетеро перехід або випрямляючий перехід, утворений в результаті контакту між металом і напівпровідником ( перехід Шоттки ). У діоді з р-п переходом або з гетеро переходом окрім випрямляючого переходу повинне бути два омічні переходи, через які р- і n - області діода сполучені висновками (мал. 1,а). У діоді з випрямляючим електричним переходом у вигляді контакту між металом і напівпровідником всього один омічний перехід (рис.2. 1,б ).

Рис.2.1. Структура напівпровідникових діодів: а) з випрямляючим електричним переходом у вигляді р-п переходу; б) з випрямляючим електричним переходом на контакті між металом і напівпровідником; В - випрямляючі електричні переходи; Н - не випрямляючі (омічні) переходи.

Звичайно напівпровідникові діоди мають несиметричні р-п переходи. Тому при полярності зовнішньої напруги, при якій відбувається пониження потенційного бар'єру в р-п переході, тобто при прямому напрямі для р-п переходу, кількість носіїв заряду, інжектованих з сильнолегированою в слаболегированою область, значно більше, ніж кількість носіїв, що проходять в протилежному напрямі. Область напівпровідникового діода, в яку відбувається інжекція неосновних для цієї області носіїв заряду, називають базою діода. Отже, в діоді базовою областю є слаболегирована область.

Якщо до діода з несиметричним р-п переходом прикладена напруга, при якій відбувається підвищення потенційного бар'єру в р-п переході, тобто у зворотному напрямі для р-п переходу, то екстракція неосновних носіїв заряду походитиме в основному з бази діода. Таким чином, база діода може робити істотний вплив на характеристики і параметри діода.

Залежно від співвідношення лінійних розмірів випрямляючого електричного переходу і характеристичної довжини розрізняють площинні і точкові діоди. Характеристичною довжиною для діода є якнайменша по значенню з двох величин, визначаюча властивості і характеристики діода: дифузійна довжина неосновних носіїв заряду в базі або товщина бази.

Площинним називають діод, у якого лінійні розміри, що визначають площу випрямляючого електричного переходу, значно більше характеристичної довжини.

Точковим називають діод, у якого лінійні розміри, що визначають площу випрямляючого електричного переходу, значно менше характеристичної довжини.

У випрямляючому електричному переході і прилеглих до нього областях відбуваються різноманітні фізичні процеси, які можуть приводити до ефекту випрямляння, до нелінійного зростання струму із збільшенням напруги, до лавинного розмноження носіїв заряду при ударній іонізації атомів напівпровідника, до тунелюванню носіїв крізь потенційний бар'єр випрямляючого р-п переходу як при зворотному, так в певних умовах і при прямій напрузі, до зміни бар'єрної ємності із зміною напруги, до ефекту накопичення і розсмоктування неосновних носіїв заряду в прилеглих до випрямляючого переходу областях. Всі ці ефекти використовують для створення різних видів напівпровідникових діодів: випрямних, змішувачів, перемикачів і детекторних, діодів з різким відновленням зворотного опору, стабілітронів, стабісторов, шумових, лавинно - пролітних, тунельних і обернутих діодів, варікапов. Деякі з перерахованих ефектів є небажаними і навіть шкідливими в одних діодах, але в інших діодах ці ж ефекти можуть служити основою принципу дії.

Пряме включення діода.

При прямій напрузі на діоді зовнішня напруга частково компенсує контактну різницю потенціалів на р-п переході, оскільки зовнішнє електричне поле при прямому включенні діода направлено протилежно дифузійному полю. Тому висота потенційного бар'єру переходу зменшується пропорційно прикладеній до діода напрузі. Нехтуючи падінням напруги на базі діода, розглянемо діод при малих прямих струмах.

Із зменшенням висоти потенційного бар'єру збільшується кількість носіїв заряду, які можуть подолати потенційний бар'єр і перейти в сусідню область діода, де вони виявляться неосновними носіями. Цей процес називають інжекцією неосновних носіїв заряду через р-п перехід.

Оскільки висота потенційного бар'єру зменшується пропорційно прикладеній напрузі, а носії заряду розподілені по енергіях по експоненціальному закону відповідно до статистики Фермі-Дірака або Максвелла-Больцмана, то пряма гілка ВАХ повинна бути схожа на експоненту (рис.2.3).

Рис.2.3 ВАХ діода при інжекції і екстракції носіїв заряду.

Розглянемо вплив деяких чинників на пряму гілку вольт -амперної характеристики діода.

При збільшенні температури діода зменшується висота потенційного бар'єру і змінюється розподіл носіїв заряду по енергіях (електрони, наприклад, займають вищі енергетичні рівні в зоні провідності). Через ці дві причини прямий струм через діод збільшується із зростанням температури при прямій незміненій напрузі (рис.2.4.).

Якщо порівняти прямі гілки двох діодів, виготовлених з різних матеріалів, з різної вширшки забороненої зони, то у діода з матеріалу з більшої вширшки забороненої зони буде більше висота потенційного бар'єру. Отже, прямий струм через діод з матеріалу з більшої вширшки забороненої зони буде менше при тій же прямій напрузі.

Із збільшенням концентрації домішок в прилеглих до р-п -переходу областях збільшуватиметься висота потенційного бар'єру переходу, а значить, буде меншим прямий струм при тій же прямій напрузі.

Зворотне включення діода.

При зворотному включенні діода зовнішнє електричне поле і дифузійне поле р-п переході співпадає по напряму, відбувається екстракція неосновних носіїв заряду з прилеглих до переходу областей. Це приводить до зменшення граничної концентрації неосновних носіїв заряду біля р-п переходу і до прояву дифузії неосновних носіїв переходу - йде дифузійний струм неосновних носіїв, що виникають в результаті теплової генерації в об'ємі n і p - областей діода, а також на омічних переходах.

а) б) в)

Рис.2.4. Прямі гілки В АХ при різних температурах (а); при різній ширині (б); при різних концентраціях домішках (в).

За час життя до р-п - переходу можуть продифундувати неосновні носії, що виникли в п-р-областях на відстані, не перевищуючим відповідної дифузійної довжини . Решта неосновних носіїв, не встигнувши дійти до переходу, рекомбінують в об'ємі. Це справедливо для різних зворотних напруг на діоді, якщо товщина прилеглих до переходу областей перевищує дифузійні довжини неосновних носіїв заряду. Тому зворотний струм починаючи з дуже малих значень зворотного переходу не змінюватиметься із зміною напруги (див. рис. 2.3). Цей незмінений із зміною напруги зворотний струм через діод називають струмом насичення.

При збільшенні температури діода густина струму насичення збільшується, оскільки з температурою експоненціальне росте власна концентрація носіїв заряду .

У діодах на основі матеріалу з більшої вширшки забороненої зони густина струму насичення повинна бути значно менше, оскільки власна концентрація експоненціальне зменшується із збільшенням ширини забороненої зони. Порівняння германієві і кремнієві діоди і враховуючи різницю у власних концентраціях носіїв в германії і кремнії, яка складає три порядки, слід укласти, що густина струму насичення в кремнієвих діодах повинна бути менше на шість порядків.

Із збільшенням концентрації домішок в прилеглих до переходу областях густина струму насичення у відповідності (3) повинна зменшитися.