Устройство полупроводникового диода и основные физические процессы
Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий два вывода.
Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.1, а, б.
Рис. 1.1
Буквами р и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа.
Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Слой полупроводника, имеющий большую концентрацию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концентрацию – базой.
Далее рассмотрим основные элементы диода (р-n-переход и невыпрямляющий контакт металл–полупроводник), физические явления, лежащие в основе работы диода, а также важные понятия, использующиеся для описания диода. Глубокое понимание физических явлений и владение указанными понятиями необходимо не только для того, чтобы правильно выбирать конкретные типы диодов, но и для того, чтобы определять режимы работы соответствующих схем при выполнении традиционных расчетов по той или иной методике. В связи с быстрым внедрением в практику инженерной работы современных систем схемотехнического моделирования эти явления и понятия приходится постоянно иметь в виду при выполнении математического моделирования. Системы моделирования быстро совершенствуются, и математические модели элементов электронных схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» физические явления. Это делает весьма желательным постоянное углубление знаний в описываемой области и необходимым – понимание основных физических явлений, а также правильное использование основных понятий.
Структура p-n-перехода
Вначале рассмотрим изолированные друг от друга слои полупроводника (рис. 1.2).
Рис. 1.2
Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.3).
Рис. 1.3
Уровни зонных диаграмм и разности этих уровней часто характеризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя их в вольтах (В), например, указывают, что ширина запрещенной зоны φз для кремния равна 1,11 В.
Теперь рассмотрим контактирующие слои полупроводника (рис. 1.4).
Рис. 1.4
В контактирующих слоях полупроводника имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является их значительно большая концентрация в слое р. Аналогичная причина обеспечивает диффузию электронов из слоя n в слой р. Диффузия дырок из слоя p в слой n, во-первых, уменьшает их концентрацию в приграничной области слоя p и, во-вторых, уменьшает концентрацию свободных электронов в приграничной области слоя n вследствие рекомбинации. К аналогичным результатам приводит и диффузия электронов из слоя n в слой р.
В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление. Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют нескомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е (см. рис. 1.4). Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой р. Оно создает дрейфовый поток подвижных неосновных носителей заряда: дырок из слоя n в слой p и электронов из слоя p в слой n. В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному. В несимметричном p-n-переходе более протяженным является заряд в слое с меньшей концентрацией примеси, т.е. в базе.
Изобразим зонную диаграмму для контактирующих слоев (рис. 1.5), учитывая, что уровень Ферми для них является единым.
Рис. 1.5
Рассмотрение структуры р-n-перехода и изучение зонной диаграммы (см. рис. 1.5) показывают, что в области перехода возникает потенциальный барьер. Для кремния высота ∆φ потенциального барьера примерно равна 0,75 В.
Примем условие, что потенциал некоторой удаленной от перехода точки в слое p равен нулю. Построим график зависимости потенциала φ от координаты х соответствующей точки (рис. 1.6). На рисунке значение координаты х = 0 соответствует границе слоев полупроводника.
Рис. 1.6
В электротехнике и электронике потенциал определяют как работу, совершаемую силами поля по переносу единичного положительного заряда.
Построим график зависимости потенциала φэ, определяемого на основе электротехнического подхода, от координаты х (рис. 1.7). Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем опускать и использовать только электротехнический подход (за исключением зонных диаграмм).
Рис. 1.7
Прямое и обратное включение р-n-перехода. Идеализированное математическое описание характеристики перехода
Подключим к p-n-переходу внешний источник напряжения так, как это показано на рис. 1.8.
Рис. 1.8
Это прямое включение р-n-перехода. В результате потенциальный барьер уменьшится на величину напряжения u (рис. 1.9), дрейфовый поток уменьшится, а диффузный увеличится, р-n-переход перейдет в неравновесное состояние, и через него будет протекать прямой ток.
Рис. 1.9
Подключим к p-n-переходу источник напряжения так, как это показано на рис. 1.10.
Рис. 1.10
Это обратное включение р-n-перехода. Теперь потенциальный барьер увеличится на напряжение u (рис. 1.11). В рассматриваемом случае ток через p-n-переход будет очень мал. Это обратный ток, который обеспечивается термогенерацией электронов и дырок в областях, прилегающих к области p-n-перехода.
Рис. 1.11
Обозначим через u напряжение на p-n-переходе, а через i – ток перехода (рис. 1.12).
Рис. 1.12
Для идеального р-n-перехода имеет место следующая зависимость тока i от напряжения u
, причем
где is – ток насыщения (тепловой ток);
k – постоянная Больцмана, k = l,38·10-23 Дж/К = 8,62·10-5 эВ/К;
Т – абсолютная температура, К;
q – элементарный заряд, q = 1,6·10-19 Кл;
φт – температурный потенциал.
Изобразим график зависимости тока i от напряжения u, которую называют вольт-амперной характеристикой p-n-перехода (рис. 1.13).
Рис. 1.13
Пробой р-n-перехода
Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода rдиф, которое определяется выражением
где u – напряжение на переходе;
i – ток перехода (см. рис. 1.12).
После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока. В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным). Изобразим соответствующий участок вольт-амперной характеристики p-n-перехода (рис. 1.14).
В основе пробоя p-n-перехода лежат три физических явления:
• туннельного пробоя p-n-перехода (эффект, явление Зенера);
• лавинного пробоя p-n-перехода;
• теплового пробоя p-n-перехода.
Рис. 1.14
Термин «пробой» используется для описания всей совокупности физических явлений и каждого отдельного явления.
И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.
Рассмотрим все три вида пробоя.
Туннельный пробой. Его называют также зенеровским пробоем по фамилии ученого (Zener), впервые описавшего соответствующее явление в однородном материале. Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процессы при пробое перехода, в основе которых лежал лавинный пробой. Напряжение, при котором начинается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяснения механизма туннельного пробоя схематически изобразим соответствующую зонную диаграмму p-n-перехода (рис. 1.15).
Рис. 1.15
Если расстояние между валентной зоной и зоной проводимости в кристалле (ширина, толщина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект – явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в р-n-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.
Лавинный пробой. Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Схематично явление лавинного пробоя изобразим на рис. 1.16.
Рис. 1.16
Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление).
Тепловой пробой. Увеличение тока при тепловом пробое объясняется разогревом полупроводника в области р-n-перехода и соответствующим увеличением удельной проводимости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если полупроводник – кремний, то при увеличении обратного напряжения тепловой пробой обычно возникает после электрического (во время электрического пробоя полупроводник разогревается, а затем начинается тепловой пробой). После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (соответствующий полупроводниковый прибор выходит из строя).
Явление изменения нескомпенсированных объемных зарядов в области р-n-перехода. Барьерная емкость
Как уже отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок через р-n-переход в области перехода возникают нескомпенсированные объемные (пространственные) заряды ионизированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока. Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое, в свою очередь, самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т.е. на процесс протекания тока.
При увеличении обратного напряжения область пространственных зарядов (главным образом за счет базы) и величина заряда в каждом слое (p и n) полупроводника увеличиваются. Это увеличение происходит непропорционально: при большом по модулю обратном напряжении заряд увеличивается медленнее, чем при малом по модулю обратном напряжении.
Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.17), где используем обозначения:
Q – пространственный заряд в слое n полупроводника;
u – внешнее напряжение, приложенное к р-n-переходу.
Рис. 1.17
Обозначим через f функцию, описывающую зависимость Q от u. В соответствии с изложенным, Q = f(u).
Напомним известную формулу, определяющую зависимость величины заряда от напряжения Q = Cu.
На практике широко используют барьерную емкость Сбар p-n-перехода, причем по определению Сбар = |dQ/du|. Изобразим графики для Q (рис. 1.18) и Сбар (рис. 1.19).
Рис. 1.18
Рис. 1.19
Явление возникновения и изменения объемного заряда неравновесных носителей электричества. Диффузионная емкость
Если напряжение внешнего источника напряжения смещает p-n-переход в прямом направлении (u>0), то начинаетсяинжекция (эмиссия) – поступление неосновных (для рассматриваемого слоя) носителей электричества в рассматриваемый слой полупроводника. В случае несимметричного p-n-перехода (что обычно бывает на практике) основную роль играет инжекция из эмиттера в базу.
Далее предполагаем, что переход несимметричный и что эмиттером является слой р, а базой – слой n. Тогда инжекция – это поступление дырок в слой n. Следствием инжекции является возникновение в базе объемного заряда дырок.
Известно, что в полупроводниках имеет место явление диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла), которое состоит в том, что возникший объемный заряд практически мгновенно компенсируется зарядом подошедших свободных носителей другого знака.
В соответствии с этим поступивший в базу заряд дырок будет практически мгновенно нейтрализован таким же по модулю зарядом электронов. Используем обозначения:
Q – объемный заряд неравновесных носителей в базе;
u – внешнее напряжение, приложенное к р-n-переходу;
f – функция, описывающая зависимость Q от u.
Дадим поясняющие иллюстрации (рис. 1.20, 1.21). В соответствии с изложенным, Q = f(u). На практике удобно и принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. При этом используют понятие диффузионной емкости Сдиф p-n-перехода, причем по определению Сдиф = dQ/du. Емкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе.
Рис. 1.20 Рис. 1.21
Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.21, а). В свою очередь, ток i экспоненциально зависит от напряжения и(соответствующее выражение приведено выше), поэтому производная di/du также прямо пропорциональна току (для экспоненциальной функции ее производная тем больше, чем больше значение функции). Отсюда следует, что емкость Сдифпрямо пропорциональна току i (рис. 1.21, б)
где φт – температурный потенциал (определен выше);
t – среднее время пролета (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).
Среднее время пролета – это время, за которое инжектируемые носители электричества проходят базу, а время жизни – время от инжекции носителя электричества в базу до рекомбинации.
Общая емкость р-n-перехода
Эта емкость Спер равна сумме рассмотренных емкостей, т.е. Спер=Сбар + Сдиф.
При обратном смещении перехода (u < 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно Сдиф>Сбар.