Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
3.06 Полупроводниковый диод.doc
Скачиваний:
18
Добавлен:
10.04.2015
Размер:
90.62 Кб
Скачать

Полупроводниковый диод Теоретическое введение

I. Р-n-переход

Под р-n-переходом понимают область полупроводника, где проводимость меняет знак, то есть из акцепторной переходит в донорную.

Возможны следующие типы p-n-перехода:

  1. Сплавной p-n-переход (рис. 1).

В полупроводник р-типа вплавляется таблетка полупроводника n-типа. Главный недостаток – низкая технологичность и плохая воспроизводимость результатов.

  1. Диффузионный р-п-переход (рис. 2).

Примесь противоположного знака внедряется за счет диффузии частиц из некоторого источника. Главный недостаток – размытость границ перехода.

  1. Радиационный р-п-переход (рис. 3).

Здесь примесь внедряют при помощи ионного легирования, то есть в ионной пушке создается остросфокусированный ионный пучок, которым и облучают исходный полупроводник. Сканируя пучок по поверхности, можно создавать р-п-переходы в нужном месте и требуемых размеров.

Предположим, что р-п-переход каким-либо образом создан и находится в равновесии, то есть внешнее напряжение отсутствует. В области перехода существуют градиенты концентрации дырок и электронов (рис. 4), что в свою очередь приведет к диффузии дырок из р-области в п-область, а электронов из п-области в р-область. Попадая в п-область дырки становятся неосновными носителями и рекомбинируют там с электронами, следовательно, вблизи перехода п-область обедняется электронами и заряжается положительно. Аналогично р-область вблизи перехода обедняется дырками и заряжается отрицательно. Таким образом, в области р-п-перехода образуется объемный заряд, который создает внутреннее электрическое поле (рис. 5), препятствующее диффузии электронов и дырок. Область объемного заряда, обедненная носителями – это и есть область р-п-перехода. Протяженность области объемного заряда определяется условием равновесия между диффузией и воздействием внутреннего электрического поля. Чем больше концентрация примеси, тем сильнее диффузия, следовательно, тем большим должно быть электрическое поле для ее компенсации. А так как поле – это градиент потенциала, то при большой концентрации объемный заряд должен быть сосредоточен в узкой области и наоборот при малой концентрации примеси область объемного заряда расширяется, при этом суммарные заряды должны быть по величине равны друг другу (рис. 6). Ранее (работа 3.05) мы назвали полупроводник с высокой концентрацией примеси сильно легированным , а с низкой концентрацией примеси – слаболегированным, следовательно, чем выше степень легирования полупроводника, тем больше объемный заряд и тем уже областьр-п-перехода.

Внутреннее электрическое поле, образованное объемным зарядом, будет менять энергию электронов, то есть в области перехода возникнет потенциальный барьер и энергетические зоны изгибаются. Величина загиба зон легко определяется из условия одинаковости уровня Ферми во всей области, если система находится в состоянии равновесия. На рис. 7 показана зонная схема р-п-перехода в равновесии, то есть при отсутствии внешнего напряжения. Так как зонная схема задает энергию электрона, то верх валентной зоны будет задавать энергию дырки с точностью до знака U, то есть потенциальная энергия электронов и дырок будет иметь вид, показанный на рис. 8.

Неосновных носителей мало, но они с легкостью скатываются с потенциального барьера, то есть дрейфуют под действием внутреннего электрического поля перехода и создают ток неосновных носителей. Основных носителей много, но р-п-переход для них – потенциальный барьер, преодолеть который посредством теплового движения сможет лишь их незначительная часть, которые и создадут ток основных носителей. В состоянии равновесия эти токи компенсируют друг друга и ток через переход будет равен

(1)

Рассмотрим теперь процессы в р-п-переходе при подаче на него некоторого напряжения.

Так как зонная схема задает энергию электрона, то положительное напряжение будет энергию понижать, а отрицательное – энергию повышать. Таким образом, при подключении р-п-перехода к внешнему источнику питания потенциальный барьер изменится на величину (- приложенное напряжение) и зонные схемы примут вид, показанный на рис. 9 (прямое включение) и рис. 10 (обратное включение). Так как условия дрейфа неосновных носителей изменяются мало (они скатываются вниз с барьера), то ток неосновных носителей практически от напряжения не зависит (рис. 11).

(2)

Основные носители преодолевают барьер при помощи теплового движения, поэтому учитывая, что электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне находятся на хвосте функции распределения, мы можем использовать для них статистику Больцмана, то есть концентрации основных носителей по разные стороны перехода связаны между собой экспоненциально. Учитывая, что ток пропорционален концентрации носителей, получим (рис. 11)

. (3)

Общий ток через переход будет равен

. (4)

Вольт-амперная характеристика перехода показана на рис. 12. Константы в (2) и (3) одинаковы и равны току неосновных носителей, ибо в противном случае в равновесии ток через переход будет равен нулю.

В построенной нами теории при любых отрицательных напряжениях ток через переход должен быть постоянным и равным току неосновных носителей, однако в реальности это выполняется только до некоторого напряжения, носящего название напряжения пробоя (рис. 12), при котором происходит так называемый пробой перехода. Под пробоем понимают явление резкого роста обратного тока через переход при практически одинаковом напряжении.

Рассмотрим основные виды механизмов пробоя.

  1. Лавинный или ударный пробой. Он характерен для слаболегированных полупроводников и основан на взаимодействии быстрых неосновных носителей с электронами валентной зоны (рис. 13). Пусть выполняется условие , что на практике легко осуществлять, ибообычно порядка 1 эВ и достаточно подать на переход отрицательное напряжение (100 – 200) В. Тогда неосновной носитель (на рис. 13 электрон вр-области) ускоряясь полем перехода будет иметь в п-области кинетическую энергию W, во много раз превышающую ширину запрещенной зоны . Быстрый электрон вn-области может столкнуться с электроном, имеющим энергию в валентной зоне, тогда избыточная энергия перераспределяется и мы будем иметь уже два электрона в зоне проводимости с энергией примерно . Но так как, то эти электроны все равно быстрые и вновь они могут возбуждать электроны валентной зоны, создавая уже четыре быстрых электрона. То есть процесс приобретает характер лавинообразного размножения носителей и ток резко, почти скачком, возрастает. Возникновение лавины определяется разными факторами, решающим из которых является ширина перехода, ибо именно она определяет потери энергии в переходе. Но так как ширина перехода определяется степенью легирования полупроводника, то варьируя концентрацию примеси мы можем менять величину напряжения пробоя, то есть данный тип пробоя управляем и воспроизводим.

  2. Зенеровский или туннельный пробой. Он характерен для сильнолегированных полупроводников и обусловлен туннеллированием электронов (рис. 14). Для электронов из валентной зоны полупроводника р-типа переход есть потенциальный барьер, причем за переходом все уровни свободны, поэтому они за счет туннельного эффекта могут пройти через барьер. Так как коэффициент прохождения (работа 3.02) равен

, (5)

то для реального прохождения необходимо уменьшать ширину барьера а, то

есть

в нашем случае ширину перехода. Следовательно, туннельный пробой будет в

выcоколегированных полупроводниках, причем для перекрытия зон достаточно

небольших напряжений (в несколько раз больше ), то есть этот пробой

будет низковольтным при малых значениях U (36 В). Зенеровский пробой

также управляем и воспроизводим.

  1. Тепловой пробой. Данный тип пробоя принадлежит к числу неуправляемых и как правило, необратимых. Механизм его в следующем. При всяком протекании электрического тока выделяется тепло , которое, если не принять специальных мер по теплоотводу будет нагреватьр-п-переход, что в свою очередь вызовет повышение температуры и усиление тепловой генерации электронов между зонами. Переходы «зона – зона» увеличивают концентрацию неосновных носителей, то есть ток через переход растет и тепловыделение увеличивается, таким образом процесс развивается лавинообразно и переход при этом, как правило, разрушается.

  2. Поверхностный пробой. Энергетические зоны образуются из-за периодичности кристалла, которая на поверхности нарушается. Эти нарушения могут привести к образованию разрешенных уровней в запрещенной зоне (уровней естественно поверхностных). Вот по этим локализованным вблизи поверхности уровням и может протекать ток, способный служить причиной пробоя.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]