1.3Равновесное состояние р-пперехода

Пусть имеется образец монокристалла, изготовленного таким образом, что относительная доля примесных атомов составляет 10 ^-11. При этом можно считать, что данный кристалл является собственным полупроводником. Из монокристалла вырезается тонкая пластина, в которую внедряются донорная или акцепторная примесь. Для этого можно использовать, например, управляемый процесс диффузии или вырастить на поверхности эпитаксиальный слой. В результате образуется p-n  переход.

Примесный полупроводник, используемый для создания p-n  перехода кремния, должен содержать незначительную долю примесных атомов, например один примесный атом на сто миллионов атомов чистого вещества. Это нужно для того, чтобы носители, пересекающие p-n  переход, не испы­тывали реком­бинации. Переходы мощных дискретных приборов имеют квадратную форму со стороной примерно 3 мм; толщина переходов ИС не превышает 0,01 мм

В полупроводнике с областями р- и n-типов, образующими пе­реход, можно выделить следующие пространственные области: металлургический переход (ко­н­такт) (воображаемая плоскость, разделяющая р и n  об­ласти), область перехода, или об­ласть пространственного заряда, или обедненная область (располагается по обе стороны металлургического перехода и имеет толщину от 10^-6 до 10^-4 см в зависимости от технологии производства), нейтральные области (р и n  области), лежащие между областью пространственного заряда и границами полупроводников р и n  типов, и, наконец, омические контакты, которыми оканчиваются нейтральные области. Основные носители n  области диффундируют в р  область и рекомбинируют с дырками в р  области, вследствие чего и возникает в отрицательный пространственный заряд слева (на рис. 1.5) от металлургического перехода. Аналогичным образом справа от металлургического перехода образуется положительный заряд при диффузии основных носителей р  области в n  область.

Возникающее в условиях термодинамического равновесия напряжение в обедненных областях и ведет к прекращению диффузионного тока.

1.4Прямо и обратно смещенный p-n – переход

На рис. 1.6 представлено изменение p-n – перехода при увеличении подаваемого напряжения к p  области плюс и к n  области минус источника на­пря­жения. При величине подаваемого напряжения меньше порогового значения ток через p-n переход (диод) не проходит. При величине подаваемого напряжения больше порогового обедненные области p-n  перехода исчезают. Начинается движение электронов и дырок навстречу друг другу и на границе металлургического перехода они уничтожают друг друга. Этот процесс называется аннигиляцией. Пополнение электронов и дырок происходит от источника подаваемого напряжения. Таким образом, ток через p-n-переход образован двумя типами частиц – электронами и дырками. Отсюда происходит слово биполярный.

1.4.1Явление пробоя

П ри смене полярности подаваемого напряжения и последующего его увеличения вначале ток через диод возрастает незначительно до тех пор, пока напряжение не достигнет так называемого напряжения пробоя U_прб. После этого ток I через диод возрастает скачкообразно (рис. 1.7). Известны следующие механизмы пробоя: а) тепловая нестабильность; б) туннельный Эффект, или явление Зенера; в) лавинный пробой. На практике встречаются и смешанные случаи, так как любой из перечисленных механизмов не исключает других.

Если электрическое поле, возникающее в обедненной области достаточно велико, то электроны и дырки, пересекающие эту область, приобретают энергию, достаточную для того, чтобы выбивать электроны из атомов кристаллической решетки. При этом происходит разрыв ковалентных связей и генерация электронно-дырочных пар; возникающий ток складывается с током диода. В свою очередь, электронно-дырочные пары ускоряются электрическим полем и могут порождать новые пары на протяжении всего своего пути в данной области. Описанный механизм обладает кумулятивными свойствами, за счет чего происходит аномальный рост тока при небольшом приращении напряжения.

В отличии от напряжения туннельного пробоя напряжение лавинного пробоя имеет положительный температурный коэффициент, т. е. увеличивается с ростом температуры. Оба механизма пробоя могут вносить одинаковый вклад. Тогда напряжение пробоя почти не будут зависеть от температуры. Диоды с такими свойствами используются для создания опорных напря­жений.