1.2.Расчет и проектирование диодов
Полупроводниковые диоды представляют собой электропреобразовательные элементы, имеющие два вывода от p- и n-областей соответственно. В ИМС диоды чаще всего используют в качестве выпрямителей, или элементов с односторонней электропроводностью.
Это
свойство присуще p-n-переходу, на котором
возникает потенциальный барьер,
препятствующий перемещению основных
носителей заряда. Значение возникающего
при этом контактного потенциала
возрастает с повышением концентраций
примесных атомов с обеих сторон
p-n-перехода. Если контактирующие p- и
n-области являются невыраженными, то
.
(2.4.1)
Максимально возможное значение контактного потенциала для этого случая определяется шириной запрещенной зоны полупроводника:
(2.4.2)
Температурная зависимость контактного потенциала определяется в основном изменением собственной концентрации подвижных носителей заряда ni, которая сильно зависит от температуры.
Числовое значение потенциала уменьшается для кремния при повышении температуры примерно на 2 мВ на каждый градус.
Зависимость постоянного тока I, протекающего через p-n-переход, от приложенного к нему постоянного напряжения описывается идеализированным теоретическим соотношением.
, (2.4.3)
где IS – ток насыщения. Этот ток обусловлен дрейфовым перемещением через p-n-переход неосновных носителей заряда.
В большинстве случаев в ИМС используют p-n-переходы, у которых концентрация примесных атомов в одной из областей значительно больше, чем в другой. Так как ток насыщения пропорционален квадрату собственной концентрации носителей заряда, то он проявляет сильную температурную зависимость (в кремниевых p-n-переходах удваивается при повышении температуры на каждые 5ºС).
Рисунок 2.4.5 Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов: 1 – вычисленная по формуле (2.4.3); 2 – вычисленная с учётом процессов рекомбинации – генерации носителей заряда в области объёмного заряда; 3 – отклонение прямой ветви за счёт падения напряжения в объёме полупроводника
В. а. х.
диода, определяемая соотношением
(2.4.3), представлена кривой 1 на рис. 2.4.1.
При прямом напряжении смещения (U>0),
превышающем несколько
,
выполняется условие
,
тогда уравнение прямой ветви в. а. х.
принимает вид
(2.4.4)
При
обратном напряжении смещения (U<0),
также превышающем несколько
,
в соотношении (2.4.3) можно пренебречь
экспоненциальным членом и считать, что
.
У реальных полупроводниковых диодов часто наблюдается отклонение от зависимости типа (2.4.3). В материалах с широкой запрещенной зоной, в частности в кремнии, концентрация неосновных носителей заряда очень мала. Поэтому преимущественное влияние на ток насыщения оказывают носители, генерируемые в области объемного заряда в виде электронно-дырочных пар. При этом в обратном токе появляется составляющая, пропорциональная ширине области объемного заряда и зависящая от напряжения обратного смещения. В этом случае прямой ток на начальном участке в. а. х. (кривая 2 на рис. 2.4.1) оказывается больше, чем это следует из соотношения (2.4.3).
В отличие
от тока насыщения
генерационный ток пропорционален первой
степени собственной концентрации
подвижных носителей заряда:
, (2.4.5)
где d –
ширина области объёмного заряда
p-n-перехода;
–
время жизни электронно-дырочной пары.
Поэтому
ток
с повышением температуры возрастает
медленней, чем
(в кремниевых p-n-переходах удваивается
при повышении температуры на каждые
10ºС).
Дополнительные составляющие обратного тока возникают вследствие влияния различных объемных и поверхностных дефектов. Эти составляющие обычно называют током утечки, причем считают, что он линейно зависит от приложенного обратного напряжения смещения. При повышении температуры быстрее других составляющих возрастает ток насыщения , который в конечном счете становится преобладающим над всеми остальными составляющими обратного тока.
Падение напряжения в объеме полупроводника между p-n-переходом и выводами при больших прямых токах уменьшает крутизну прямой ветви в. а. х. (кривая 3 на рис. 2.4.1). Замедление нарастания тока при увеличении напряжения прямого смещения обусловлено также эффектами высокого уровня инжекции, т.е. большой плотности прямого тока. При достаточно большом прямом токе концентрация инжектируемых в более высокоомную область полупроводника носителей заряда может оказаться соизмеримой с концентрацией основных носителей в ней и даже существенно превысить ее. Это приводит к появлению в полупроводнике электрического поля, изменяющего закономерности перемещения носителей заряда.
Отличие в. а. х. реальных полупроводниковых диодов от в. а. х., определяемых соотношением (2.4.3), связано также с возникновением пробоя при достаточно большом напряжении обратного смещения. В p-n-переходах могут проявляться три механизма пробоя: лавинный, туннельный и тепловой.
Для маломощных диодов, используемых в качестве выпрямителей ИМС, наиболее типичным является лавинный пробой, обусловленный размножением носителей заряда в области переходного слоя p-n-перехода при высокой напряженности электрического поля за счет ударной ионизации. Если ток, протекающий через p-n-переход в режиме лавинного пробоя, ограничен сопротивлением внешней цепи и рассеиваемая в диоде мощность не вызывает недопустимого перегрева прибора, то необратимого изменения в характеристике прибора не происходит.
Туннельный пробой возникает непосредственно при воздействии сильного электрического поля на кристаллическую решетку полупроводникового материала. Для возникновения туннельного пробоя необходим высокий уровень легирования хотя бы одного из контактирующих материалов, образующих диодный p-n-переход. При этом наклон энергетических зон становится таким, что вероятно туннелирование возникающих носителей заряда через запрещенную зону. Туннельный пробой характерен для достаточно сильных электрических полей, причем напряженность поля должна быть тем больше, чем шире запрещенная зона. Для кремниевых p-n-переходов этот механизм пробоя наблюдается при уровне легирования порядка 1019см-3 и напряжении обратного смещения U>5 В.
Тепловой
пробой чаще всего наблюдается в мощных
выпрямительных диодах и связан с
нарушением теплового равновесия, при
котором выделяемое в p-n-переходе
количество теплоты превышает отдаваемое
окружающей среде. В результате температура
диода начинает самопроизвольно повышаться
вплоть до выхода прибора из строя. Такие
условия возникают, если увеличение
обратного тока Iобр,
вызванное некоторым повышением
температуры
,
приводит к дополнительному нагреву
p-n-перехода на
.
Вследствие экспоненциальной зависимости
обратного тока от температуры одинаковые
значения
вызывают возрастающие с повышением
температуры приращения обратного тока
и разности температур
.
Поэтому при некоторой достаточно высокой
температуре может выполняться условие
,
и наступает тепловой пробой. Величина
пропорциональна приращению мощности,
рассеиваемой в p-n-переходе за счет
обратного тока, следовательно, она
возрастает при повышении напряжения
обратного смещения. Отсюда можно
заключить, что более высокому обратному
напряжению соответствует более низкая
температура, при которой также развивается
тепловой пробой.
Частотные
свойства диода в первую очередь
зависят от емкости
,
шунтирующей p-n-переход. Эта емкость
складывается из барьерной емкости
,
обусловленной наличием в области
объемного заряда ионизированных
примесных атомов, заряд которых не
скомпенсирован основными носителями,
и диффузионной емкости
,
связанной с инерционностью установления
распределения концентраций неравновесных
носителей заряда внутри p- и n-областей
структуры.
Изменение суммарного заряда ионов в области объемного заряда возможно только за счет изменения ширины этой области под действием напряжения, приложенного к p-n-переходу. Этот процесс является практически безинерционным, поэтому барьерная емкость p-n-перехода не зависит от частоты во всем диапазоне используемых частот.
Барьерная емкость уменьшается с увеличением напряжения обратного смещения. Если U0<0, то всю емкость p-n-перехода можно считать равной его барьерной емкости.
При протекании через p-n-переход прямого тока проявляется диффузионная емкость, которая по мере увеличения тока может превысить барьерную. Носители заряда, инжектируемые p-n-переходом, распространяются в p- и n-областях, подчиняясь законам диффузии. Вследствие рекомбинации концентрация этих носителей по мере диффузии в глубь областей полупроводниковой структуры убывает, причем глубина их проникновения имеет порядок диффузионной длины L. Этот процесс приводит к накоплению неравновесных носителей заряда вблизи p-n-перехода. Заряд этих носителей пропорционален току через p-n-переход, однако из-за сравнительно медленного характера диффузии и рекомбинации неравновесных носителей заряда он не может мгновенно изменяться при изменениях тока. Инерционность зарядов описывается временами жизни инжектируемых электронов и дырок и обусловливает емкостный характер реакции p-n-перехода на всякое изменение прямого тока. Это явление описывается эквивалентной диффузионной емкостью p-n-перехода.
При
повышении частоты диффузионная емкость
уменьшается и стремится к нулю на
частотах, период которых намного меньше
времен жизни неосновных носителей
и
.
Рисунок 2.4.6 Характеристики процессов установления обратного тока (а) и падения прямого напряжения (б) у диода, обусловленные эффектом накопления неосновных носителей заряда в объёме полупроводника
Накопление
неравновесных носителей заряда при
прохождении прямого тока и конечное
время их рассасывания после выключения
прямого тока сказываются на импульсных
свойствах диодов в схемах переключения.
При изменении полярности напряжения
на диоде с прямой на обратную в первый
момент возникает большой обратный ток
(рис. 2.4.2, а) и лишь спустя время
,
равное времени жизни носителей заряда,
его значение снижается до нормального,
соответствующего приложенному обратному
напряжению. Если длительность импульса
обратного напряжения будет значительно
меньше
,
то диод не будет выполнять функции
выпрямителя.
Наоборот,
при резком включении достаточно большого
прямого тока (рис. 2.4.2, б) в первый момент
прямое сопротивление оказывается
больше, чем в статическом состоянии, и
только спустя некоторое время
,
в течение которого произойдет накопление
неосновных носителей заряда в объеме
полупроводника, сопротивление и падение
прямого напряжения уменьшатся до
значений, измеряемых на постоянном
токе. При коротком импульсе прямого
тока этот процесс может не завершиться,
и тогда прямое сопротивление диода
будет повышенным.
Важным параметром диода, характеризующим его работу на переменном токе, является дифференциальное сопротивление которое определяется выражением
(2.4.6)
и представляет собой изменение тока, протекающего через диод, при изменении напряжения вблизи некоторого значения U, заданного рабочей точкой.
Дифференциальное сопротивление зависит как от тока, так и от приложенного к диоду напряжения. В случае обратного смещения дифференциальное сопротивление велико и изменяется в пределах от нескольких десятков килоом до сотен мегаом. При прямом смещении это сопротивление обычно составляет десятки Ом, т.к. определяется большим током, протекающим в прямом направлении.
При проектировании диодных структур, предназначенных для использования в полупроводниковых ИМС, должны быть известны параметры, определяющие уравнение в. а. х., быстродействие, емкость диодного перехода, емкость диода на подложку и паразитный ток утечки на подложку.
Из анализа типовой структуры интегрального транзистора следует, что для формирования диода полупроводниковой ИМС можно применять любой из двух переходов транзистора путем использования пяти различных схем включения. Характеристики диодов в значительной степени определяются способом включения, поэтому при проектировании интегральных диодов имеется широкая возможность получения заданных параметров.
Рисунок 2.4.7 Пять диодных схем включения интегрального транзистора: а – структуры диодов; б – полная эквивалентная схема
На рис. 2.4.3, а, б показаны пять различных вариантов построения интегральных диодов на основе структуры интегрального планарно-эпитаксиального транзистора, а также их эквивалентные схемы. В этих вариантах использованы: в варианте I – переход эмиттер-база при короткозамкнутом переходе база-коллектор, в варианте II – переход эмиттер-база при разомкнутой коллекторной цепи, в варианте III – переход база-коллектор при отсутствии эмиттерной области (при формировании интегрального диода процесс эмиттерной диффузии был исключен), в варианте IV – коллектор и эмиттер короткозамкнуты и, следовательно, получаются два параллельно включенных диода, один из которых представляет собой переход эмиттер-база, а другой – переход база-коллектор; в варианте V использован переход база-коллектор при короткозамкнутом переходе эмиттер-база.
Характерное отличие интегрального диода от дискретного заключается в наличии паразитной емкости и паразитного транзистора. Интегральный диод можно рассматривать как трехполюсный прибор, третьим электродом которого служит подложка. Влияние паразитного транзистора, включающего в себя базу, коллектор и подложку, необходимо учитывать при проектировании полупроводниковых ИМС. Так как в полупроводниковой ИМС, изолированной с помощью p-n-перехода, подложка соединяется с наиболее отрицательной точкой схемы, то коллекторный переход паразитного транзистора смещается в прямом направлении. Если интегральный диод смещён в прямом направлении, то эмиттерный переход паразитного транзистора также будет смещен в прямом направлении во всех случаях включения, кроме варианта I.
Так как паразитный транзистор работает в режиме усиления, то часть тока через диод ответвляется в подложку, т.е. ток, втекающий в диод, не равен току, вытекающему из него. Значение ответвляющегося тока зависит от коэффициента передачи тока паразитного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Коэффициент инжекции эмиттера паразитного транзистора обычно достаточно мал, поэтому коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером такого транзистора не превышает 1-3. Активные свойства паразитного транзистора можно уменьшить путем легирования золотом коллекторной области транзистора типа n-p-n или базовой области транзистора типа p-n-p. Этим достигается резкое уменьшение коэффициента переноса носителей заряда через базу паразитного транзистора, который становится практически равным нулю.
Если через диод проходит достаточно большой прямой ток, то уравнение в. а. х. можно записать в упрощенном виде
(2.4.7)
Важным параметром интегрального диода, характеризующим его в. а. х., является падение прямого напряжения при заданном значении прямого тока:
(2.4.8)
Если ток через диод достаточно мал, то падение напряжения определяется идеализированными характеристиками переходов, при больших токах существенную роль играют также последовательные объемные сопротивления соответствующих областей. Наименьшее падение напряжения при одинаковых значениях тока наблюдается для варианта I. Это объясняется тем, что диод в этом случае работает как транзистор с замкнутым коллекторным переходом. Электроны, инжектируемые эмиттером, перемещаются через базу, достигают коллекторного перехода и свободно попадают в коллектор. Поэтому основная часть входного тока проходит через коллектор, и падение напряжения на сопротивлении базы будет значительно меньше, чем в других диодных структурах. В варианте V транзисторная структура находится в инверсном включении, так как инверсный коэффициент передачи тока мал, то базовый ток, протекающий через такую структуру, будет большим, что в свою очередь вызовет значительное падение напряжения на диоде.
При обратном смещении интегрального диода необходимо учитывать, что напряжения, прикладываемые к диоду и изолирующему p-n-переходу, не должны превышать пробивных напряжений соответствующих переходов. Максимально допустимое обратное напряжение для вариантов I, II и IV ограничивается напряжением пробоя перехода эмиттер-база, а для вариантов III, V – напряжением пробоя перехода коллектор-база. Напряжение пробоя перехода эмиттер-база обычно составляет 5-7 В, перехода коллектор-база – 50-60 В и перехода коллектор-подложка – свыше 70 В. К параметрам диода, характеризующим обратную ветвь в. а. х., относится постоянный обратный ток через диод при смещении его в обратном направлении. Как отмечалось, в кремниевых p-n-переходах основной составляющей обратного тока является ток термогенерации, зависящий от площади p-n-перехода и концентрации центров рекомбинации в области объемного заряда перехода. Для всех рассматриваемых вариантов включения обратные токи изменяются в пределах 0,1-100 нА.
Быстродействие полупроводниковых ИМС в значительной степени определяется паразитной емкостью элементов, поэтому для каждого из вариантов диодного включения транзистора необходимо знать значения паразитных емкостей. На рис. 2.4.3 показаны емкости, действующие в пяти рассматриваемых вариантах диодного включения. Любая емкость, закорачивающая на землю какую-либо точку схемы, уменьшает ее быстродействие, т.е. является паразитной. Поскольку подложка ИМС обычно соединена с точкой самого низкого потенциала, вывод емкости перехода коллектор-подложка оказывается заземленным по высокой частоте. Наибольшая паразитная емкость характерна для варианта IV, наименьшая – для варианта II.
Частотные свойства диодов характеризуются также временем восстановления обратного сопротивления. Основная причина инерционности диодов при работе в импульсном режиме обусловлена процессом накопления неравновесных носителей заряда в областях транзисторной структуры. Время восстановления обратного сопротивления зависит от размеров областей транзисторной структуры, времени жизни неравновесных носителей заряда и значения прямого тока через диод. При одинаковых значениях тока накопление заряда в различных диодных структурах будет различным. В варианте I время восстановления обратного сопротивления будет наименьшим, так как в коллекторной области не происходит накопления дополнительного заряда (переход коллектор-база является короткозамкнутым). В варианте II цепь коллектора разомкнута и, следовательно, инжекция неосновных носителей заряда в область базы смещает коллекторный переход в прямом направлении. Это вызывает появление дополнительного заряда в базовой и коллекторной областях. Время восстановления обратного сопротивления для варианта II оказывается существенно больше, чем для варианта I.
Накопленный заряд неосновных носителей для варианта V больше, чем для варианта I. При этом коллекторный переход смещается в прямом направлении, и происходит инжекция носителей заряда как в базовую, так и в коллекторную области транзисторной структуры. Для варианта III, характеризующегося разомкнутой цепью эмиттера, инжекция электронов из коллектора в базу вызывает снижение потенциального барьера между эмиттером и базой, что в свою очередь приводит к незначительной инжекции носителей из эмиттера в базу, увеличивающей время восстановления сопротивления. Вариант IV характеризуется самым большим временем восстановления обратного сопротивления, так как в этом случае оба перехода транзисторной структуры смещены в прямом направлении и происходит наибольшее накопление заряда.
Характеристики
интегрального диода в значительной
степени зависят от температуры окружающей
среды. Из экспериментального анализа
температурной зависимости величины
следует, что в диапазоне рабочих
температур для большинства практических
схем диодного включения транзистора
(2.4.9)
Наименьший температурный дрейф наблюдается для перехода эмиттер-база, который достаточно часто используют в качестве интегрального диода.
Температурная
зависимость проявляется также для
постоянной времени переключения диода
.
При температуре окружающей среды 18-20ºС
температурный коэффициент времени
переключения диода
.
Из анализа свойств различных типов диодов можно сделать следующее общее заключение. Вариант I с замкнутым переходом коллектор-база предпочтителен в логических ИМС, так как он позволяет получить наибольшее быстродействие. Вариант II следует применять в логических ИМС в качестве накопительного элемента, а диоды, реализуемые по вариантам III и V и имеющие наибольшее напряжение пробоя, можно использовать в качестве диодов общего назначения.