2.1. Полупроводникови диоди с електронно-дупков преход (pn - преход).
Съдържание
2.1. Полупроводникови диоди с електрон-дупков преход (pn - преход)
2.3. Характеристика ток-напрежение pn преход
2.4. Влияние на генерационно-рекомбинационните процеси върху CVC на pn преход
2.5. бариерен капацитет pn преход
2.6. Дифузионен капацитет pn преход
2.7. Преходни процеси
2.6. разбивка pn преход
2.1. Полупроводникови диоди с електронно-дупков преход (pn - преход).
Най-простото полупроводниково устройство е диод, който е полупроводников кристал с електрон-дупка (pn) преход. На фиг. 2.1. е дадено обозначението на диода, неговата конструкция и диаграма на разпределение на примесите. В близост до контактите, като правило, концентрацията на примеси и, съответно, основните носители на заряд се увеличава. Това се прави, за да се намали съпротивлението между металния контакт и полупроводниковата област. Основният елемент на диода е електронно-дупков преход (pn-преход).
Ориз. 2.1. Полупроводников диод с pn-преход: обозначение, конструкция, разпределение на примесите
Преходът електрон-дупка е основният елемент не само на диодите, но и на други биполярни устройства, тъй като именно преходът електрон-дупка позволява да се контролират потоците на носителите на заряд в биполярни устройства. Преходът електрон-дупка се създава в кристал чрез промяна на вида на проводимостта чрез въвеждане съответно на акцептор и донорен примес.
Има много начини за създаване на pn преход. На фиг. 3.2. представени са схеми на сплавни, дифузионни и епитаксиално-дифузионни технологии.
Ориз. 2.2. Схеми за производство на pn преход с различни технологични методи.
С технологията на сплавта се образува преход електрон-дупкаграницата между оригиналния кристал и рекристализираната полупроводникова област, в която е извършено сливането (фиг. 2.2a). На фиг. 2.2b показва метод за производство на pn преход чрез дифузия на акцепторен примес в кристал от n-тип. Характеристика на технологията, показана на фиг. 2.2.c в това, че дифузията се извършва в кристал с n-тип полупроводников филм, отгледан върху n+ тип кристал чрез специална епитаксиална технология, която прави възможно запазването на кристалната структура във филма.
Особеността на електрическите характеристики на диода е, че той има ниско съпротивление при една полярност на приложеното към него напрежение (плюс на анода - директно свързване) и високо съпротивление при друга полярност (минус на анода - обратна връзка). Това свойство на диода му осигури широко приложение в токоизправители - схеми за преобразуване на променливо напрежение в постоянно напрежение.
На фиг. 2.3. показана е ток-напрежението на полупроводников диод със средна мощност - зависимостта I(U), крива 1.
Ориз. 2.3. Токово-напреженови характеристики на полупроводников диод (1) и идеален токоизправител (2).
На същата фиг. 2.3 показва характеристиките на "идеален" ключ, който пропуска ток при положително напрежение и не преминава при отрицателно. Както се вижда от сравнението на графиките, свойствата на полупроводниковия диод са близки до тези на идеалния токоизправител, тъй като за него токът в права посока може да бъде милиони пъти по-голям от тока в обратна посока.
Основните недостатъци на полупроводниковия диод трябва да включват: с предно отклонение - наличието на област с ниски токове в началния участък ("петата") и крайната дебелина на съпротивлението rs; в обратния случай наличието на повреда и малък (обаче силно нарастващ с температура) обратен ток.
Трябва да се отбележи, че директните и обратните клонове на характеристиката ток-напрежение са показани на фиг. 2.3 в различни мащаби.
Помислете за работата на диода при активен товар (фиг. 1.4). Съответната верига е показана на фиг. 2.4 а. Токът през диода се описва от неговата характеристика ток-напрежение Idiod \u003d f (Udiode), токът през съпротивлението на натоварване ще бъде равен на тока през диода Idiode \u003d Iload \u003d I, тъй като връзката е серийна и съотношението Iload \u003d (U (t) - Udiode) / Rn е валидно за него.
На фиг. 2.4 показва редовете, описващи тези функционални зависимости: I-V характеристиките на диода и характеристиката на товара.
Ориз. 2.4. Диаграма, обясняваща работата на диод при активен товар.
Както може да се види от фигурата, колкото по-стръмна е характеристиката на диода и колкото по-малка е зоната на ниски токове ("петата"), толкова по-добри са коригиращите свойства на диода. Навлизането на работната точка в зоната преди разрушаването води не само до освобождаване на висока мощност в диода и възможното му разрушаване, но и до загуба на свойства на токоизправителя.
При електрическия анализ на вериги с диоди отделните клонове на I–V характеристиките са представени като прави линии, което позволява да се представи диодът под формата на различни еквивалентни вериги, виж фиг. 2.5. Изборът на една или друга диодна еквивалентна схема се определя от специфичните условия на анализ и изчисление на устройството, в което се използва.
Ориз. 2.5. Диодни еквивалентни схеми за права и обратна връзка.
Коригиращите свойства на полупроводниковия диод се дължат на асиметрията на електрическите свойства на основния му елемент pn - преход.
Диодите с pn преход се наричат биполярни устройства, тъй като както електроните, така и дупките участват в процесите на пренос на заряд през контактната област.
Нека разгледаме основните явления, които водят до появата на границатамежду p и n области на потенциалната бариера (блокиращ слой), което определя нелинейността на ток-напрежението (CVC) на диода.
На фиг. 2.6 показва енергийни диаграми за два полупроводникови кристала от един и същи материал, легирани с акцепторен примес (p тип) и донорен примес (n тип), които са разположени на близко разстояние, но не взаимодействат помежду си.
Както е показано на диаграмата на фиг. 2.6 Материалът от тип p и n се различава по положението на нивата на Ферми - Fp и Fn, и съответно работата на работа Фp и Фn. Работната функция на електроните в полупроводниците се приема като енергийното разстояние от нивото на Ферми до енергийното ниво, съответстващо на енергията на електрон във вакуум с нулева кинетична енергия (нулево ниво). Тази работна функция понякога се нарича термодинамична, тъй като, за разлика от метала, електроните никога няма да бъдат на нивото на Ферми в полупроводника, ако няма енергийни състояния, съответстващи на това ниво.
Електроните могат да бъдат в зоната на проводимост и енергията χ, необходима за пренасяне на електрон от дъното на лентата на проводимост във вакуум, се нарича електронен афинитет.
Ориз. 2.6. Енергийна диаграма: (a) изолирани p и n области,
При създаване на pn преход - близо между p и n областите на тесен физически контакт (с единична кристална решетка), се установява обмен на електрони между регионите и предимно електрони излизат от n-тип материал, а дупките предимно от p-тип материал (дупката, излизаща от кристала, съответства на електрона, влизащ в кристала).
Нееквивалентността на електронните потоци от n към p област и от p към n област води до появата на пространствен заряд на границата. Кръчмаобласт, зарядът ще бъде положителен, тъй като "примесните" електрони го напускат и остава некомпенсиран положителен заряд от донорни примесни йони. В областта p зарядът ще бъде отрицателен, тъй като „примесните“ дупки го напускат и остава некомпенсиран отрицателен заряд от акцепторни примесни йони. По този начин на интерфейса (в pn прехода) се появява двойно зареден слой, който е илюстриран от диаграмата на фиг. 2.7. В този случай положителният заряд в областта p е равен на отрицателния заряд в областта n, така че пробата като цяло остава електрически неутрална. Наистина, общият брой на положителните и отрицателните заряди в пробата не се променя, когато се появи областта на пространствения заряд (SCR), но те се преразпределят в локалната област на pn прехода, в която е нарушена електрическата неутралност.
Фиг. 2.7. Диаграма, обясняваща появата на област с пространствен заряд (двоен зареден слой) в pn преход
Възникващото контактно електрическо поле е насочено от областта с донорен примес към областта с акцепторно примес; следователно предотвратява прехода на електрони от областта n и дупки от областта p. При определена стойност на полето равновесие ще се установи, когато броят на зарядите, преминаващи един към друг, е еднакъв. Това електрическо поле съответства на равновесната стойност на контактната потенциална разлика.
За да намерите разликата в контактния потенциал, можете да използвате условието, че в нехомогенни системи в равновесие нивото на Ферми (химичен потенциал) е еднакво за всички части на системата, както е показано на фиг. 2.6 b за pn преход, направен в единичен кристал.
Региони, разположени на разстояние от контактната точка p и n региони не са засегнати от pn прехода,следователно те трябва да се характеризират с енергийната диаграма, показана за изолираните региони на фиг. 2.6a. Както се вижда от фиг. 2.6b потенциалната енергия на електроните в зоните спрямо нулевото ниво във вакуум се променя само поради появата на пространствен заряд в областта на pn прехода и потенциалната бариера, съответстваща на него. Както се вижда от диаграмите на фиг. 2.6a и фиг. 2.6b, стойността на контактната потенциална разлика е равна на:
където Uk се изразява във волтове, а Fn и Fp в електронволтове.
Появата на двоен слой пространствен заряд и потенциалната бариера, съответстваща на него, дължаща се на контактното поле, нарушава симетрията на транспорта през pn прехода на дупки и електрони. Наистина, бариерата съществува само за повечето носители (nn и pp), тъй като те се преместват в съседната област срещу силите на електростатично взаимодействие с полето. Съответно само тези носители nn и pp, чиято топлинна енергия е по-висока от енергията на потенциалната бариера, могат да преодолеят бариерата, т.е. носители, попадащи във високоенергийната опашка на разпределението на Болцман (аналогично на разпределението на Максуел в газовете).
Колкото по-висока е височината на потенциалната бариера, толкова по-малко основните носители ще могат да я преодолеят. Тъй като основните носители се движат през границата чрез дифузионния механизъм, техният ток често се нарича дифузионен ток и трябва да се отбележи (виж фиг. 2.7), че посоките на дифузионните токове, създадени от nn и pp, съвпадат: Jdif = Jndif + Jpdiff.
Няма потенциална бариера за малцинствените носители (np и pn), тъй като посоката на силите на тяхното електростатично взаимодействие с контактното поле съвпада с посоката на прехода им към съседната област, виж фиг. 2.7 и фиг. 2.6. Следователно потокът от миноритарни носители зависи само от тяхната концентрация вблизкоконтактна област и не зависи от височината на бариерата. Всички незначителни носители, които са попаднали в областта на пространствения заряд на pn прехода, ще бъдат поети от електрическото поле и прехвърлени в съседната област. Трябва да се отбележи (вижте Фигура 2.7), че посоката на тока Js, създаден от незначителни носители np и pn, движещи се в електрическото поле на pn прехода, е една и съща: Js = Jsn + Jsp. Тъй като общият ток през pn прехода при липса на външно напрежение трябва да бъде равен на нула, тогаваJ diff = -J s.
След като разгледахме основните явления, свързани с появата на потенциална бариера в pn прехода и ефекта му върху транспорта на носители на заряд, пристъпваме към количествено описание, чиято цел е да изградим математически модел, който може да свърже електрическите характеристики на прехода с технологичните параметри на регионите и температурата на околната среда.
Използвайки отношенията, получени в предишния раздел, ние записваме отношенията за изчисляване на мнозинството и второстепенните носители на заряд в p и n региони чрез стойностите на нивото на Ферми в съответните региони (фиг. 2.6). Равновесните концентрации означаваме с индекс 0.