Полупроводниковые диоды

1. Цель и содержание работы

Содержанием работы является исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) диодов на основе различных полупроводниковых материалов: германия, кремния, арсенида галлия, а также контактов металл–полупроводник. Целью работы является сравнение реальных и теоретических характеристик и определение их связи с параметрами материалов.

2. Сравнение характеристик реальных диодов с характеристикой идеализированного p–n-перехода

Известно [1 – 4], что статическая ВАХ идеализированного полупроводникового диода описывается выражением:

, (1.1a)

или

, (1.1б)

где I– ток диода;– приложенное к нему напряжение;– ток насыщения, определяемый параметрамиp–n-перехода;– тепловой потенциал (= 0.0259 В приТ= 300 К).

Вид характеристики, описываемый выражением (1.1), показан на рис. 1.1.

При изображении ВАХ масштаб по оси прямых и обратных напряжений, прямых и обратных токов обычно берется разным, так как эти величины различаются на порядки. Разные масштабы создают впечатление «излома» характеристики в нулевой точке, в действительности же ВАХ является дифференциально гладкой. На прямой ветви ВАХ наблюдается сильная зависимость тока от напряжения; поэтому при изменении тока в пределах одной декады прямое напряжение меняется только на десятые доли вольта. Это дает возможность считать, что прямое падение напряжения, измеренное при некотором заданном прямом токе, например 1 мА, почти не зависит от величины тока:. Такое упрощение часто используется для анализа характеристик схем с диодами и транзисторами.

I

U

I_S

0

Рис. 1.1. Вольт-амперная характеристика

p–n-перехода

Единственным параметром ВАХ в выражении (1.1), связанным с физико-конструктивными параметрами и геометрическими размерами активной области диода, является ток насыщения . Для диода с резко асимметричным ступенчатым переходом (например,p⁺n) его величина определяется только параметрами слаболегированной области (базы):

, (1.2)

где – заряд электрона;– собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике;– концентрация легирующей примеси (доноров) в базе;и– коэффициент диффузии и диффузионная длина неосновных носителей в ней;– толщина базы;– площадьp–n-перехода.

Вольт-амперная характеристика реального диода отличается от характеристики идеализированного р–n-перехода, описываемой (1.1) в силу следующих причин:

– рекомбинации и генерации дырок и электронов в ОПЗ перехода;

– падения напряжения на объемном сопротивлении базы;

– появления эффектов высокого уровня инжекции при больших токах: изменения граничных условий для неосновных носителей заряда (условия Шокли), появления ускоряющего поля в базе, модуляции удельного сопротивления базы;

– наличия токов утечки через p–n-переход;

– начала пробоя на обратной ветви ВАХ;

– неоднородного легирования базы;

– разогрева p–n-перехода выделяемой мощностью.

О физике этих явлений и об их влиянии на ВАХ перехода можно прочитать в [1 – 3]. Перечисленные эффекты приводят к тому, что ВАХ диода описывается (1.1) только качественно.

Обратная ветвь ВАХ образуется суммой трех составляющих: тока насыщения , тока термогенерации в ОПЗp–n-переходаи тока утечки. Соотношение между этими составляющими для диодов из разных полупроводниковых материалов различно

. (1.3)

Ток термогенерации в p–n-переходе описывается формулой:

, (1.4)

где – ширинаp–n-перехода;– эффективное время жизни, характеризующее темп генерации электронно-дырочных пар в ОПЗперехода; остальные величины уже использовались в формуле (1.1). Ток зависитот приложенного обратного напряжения через зависимость.

Ток утечки обусловлен проводящими каналами внутри p–n-пере-хода и на поверхности кристалла. Он зависит от площади и периметра перехода и ряда других факторов и имеет примерно линейную зависимость от обратного напряжения. Припорядка единиц вольт его величина может достигать единиц мкА.

Прямая ветвь ВАХ реального диода сохраняет экспоненциальную зависимость тока от напряжения, поэтому ее можно описывать выражениями типа (1.1)

или (1.5)

,

где и– параметры характеристики, которые могут изменяться на различных участках ВАХ. Так, на участке преобладания тока инжекции; на участке преобладания рекомбинационного тока; на участке высокого уровня инжекции[1, 2].

Параметры имогут быть определены из экспериментальных данных.

В выражении (1.1) для прямой ветви ВАХ можно пренебречь единицей в скобках, тогда, – ток насыщения,–коэф-фициент неидеальности перехода. В идеальномp–n-переходе, с ростом доли генерационно-рекомбинационного тока, а также при увеличении уровня инжекции и падения напряжения на последовательном омическом сопротивленииувеличивается и может достигать.

В логарифмическом масштабе по оси токов получается линейная зависимость от

,

угловой коэффициент которой позволяет определить коэффициент неидеальности

.

Ток определяется линейной экстраполяцией зависимости к точке= 0.

Например, на рис. 1.2 прямой ток возрастаетот 1 мА при= 0.4 Вдо 10 мА при 0.7 В, тогдаВ,= 4,= 1.3, и= 310^–12А.

I, мА

lg I₀

qU/kT

1/m

Рис 1.2. Прямая ветвь ВАХ в логарифмическом масштабе

по оси токов