2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

2.1. Статический режим полупроводникового диода

Устройство диода

Рис. 2.1

. 3.1

Полупроводниковым, диодом называется двухэлектродный прибор, основу которого составляет р-n-структура, состоящая из областей р-типа и n-типа, разделенных электронно-дырочным переходом (рис. 2.1). Одна из областей р–n–структуры, называемая эмиттером, имеет б ольшую концентрацию основных носителей заряда *, чем другая область, называемая базой.

База и эмиттер с помощью электродов Э, образующих омические переходы, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается в электрическую цепь.

Основным структурным элементом полупроводникового диода, определяющим его функциональные свойства, является р–n–переход –тонкий промежуточный слой между р–n–областями, свойства которого были рассмотрены в 1.4. Для пояснения сказанного рассмотрим устройство и принцип изготовления сплавного германиевого диода. База диода представляет собой пластинку монокристаллического германия n–типа, легированного сурьмой (10¹⁴–10¹⁶ см^–3). Эту пластинку с помещенным на ней кусочком индия нагревают в водородной среде. При температуре около 560°С индий плавится и германий частично растворяется в нем. В пластинке получается углубление, заполненное раствором. Далее начинается охлаждение. Поскольку в холодном индии растворимость германия меньше, при охлаждении германий рекристаллизуется (атомы его «пристраиваются» к решетке). При этом захватываются и атомы индия, в результате образуется слой германия р–типа с концентрацией акцепторной примеси до 10¹⁸ см^–3.

После химической обработки, травления и промывки изготовленную р–n–структуру монтируют в герметичный металлический или пластмассовый корпус (рис. 2.2), обеспечивающий защиту ее от воздействия окружающей среды.

Прогрессивной разновидностью полупроводниковых диодов являются планарно-эпитаксиальные диоды (рис. 2.3). В этих приборах базу изготовляют путем наращивания на подложке 4 из низкоомного кремния тонкого слоя 3 высокоомного полупроводника, повторяющего структуру подложки. Этот слой, называемый эпитаксиальным, покрывают плотной защитной пленкой 2 двуокиси кремния SiO₂ толщиной до 1 мкм. В пленке протравливают окно, через которое путем диффузии бора или алюминия создается р–n–переход 1, выход которого на поверхность оказывается сразу же надежно защищенным пленкой окисла.

Статическая вольт-амперная характеристика полупроводникового диода показана на рис. 2.4. Здесь же пунктиром нанесена теоретическая вольт – амперная

характеристика электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением (1.57). Для наглядности обратная ветвь характеристики изображена в более крупном масштабе по току и в более мелком – по напряжению по сравнению с прямой ветвью. В области малых токов реальная и теоретическая характеристики

совпадают. Но при больших прямых токах, а также при высоких обратных

1

напряжениях характеристики расходятся,

"

Рис. 2.2 Рис. 2.3

Статические вольт-амперные характеристики диода

что является следствием ряда причин, не учтенных при теоретическом анализе процессов в электронно-дырочном переходе.

* Область, имеющую большую концентрацию основных носителей заряда отмечают знаком «+» у обозначения типа электропроводности (например, р⁺).

Рис. 3.4

В области больших прямых токов вследствие значительного падения напряжения на распределенном сопротивлении базы диода и сопротивлении электродов напряжение на электронно-дырочном переходе будет меньше напряжения U, приложенного к диоду, в результате чего реальная характеристика оказывается расположенной ниже теоретической и почти линейной.

Уравнение вольт-амперной характеристики в этой

области можно записать в виде

I = I_oехр χ(U – г_бI), (2.1)

где г₆ — электрическое сопротивление базы, электродов и выводов диода.

При повышении обратного напряжения обратный ток диода не остается постоянным, равным току экстракции I_o, как следует из соотношения (2.57), а медленно увеличивается. Одной из причин роста обратного тока диода является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе соотношения (2.57). Составляющую обратного тока через переход, зависящую от числа генерируемых в переходе в единицу времени носителей заряда, условимся называть термотоком перехода I_т. С повышением обратного напряжения вследствие расширения перехода увеличивается его объем, поэтому число генерируемых в переходе носителей заряда и термоток перехода возрастают. Этот эффект особенно заметен в кремниевых диодах, имеющих малый ток экстракции I_o< I_т.

2

Другой причиной роста обратного тока диода является поверхностная проводимость электронно-дырочного перехода, обусловленная молекулярными и ионными пленками различного происхождения, покрывающими выходящую наружу поверхность перехода.

Рис. 2.5

Из-за нестабильности физико-химической структуры этой поверхности, подверженной влиянию окружающей среды, ток утечки по поверхности I_у нестабилен, что приводит к «ползучести» характеристик диода. В современных диодах поверхность перехода специально обрабатывают и защищают от внешних воздействий, поэтому ток утечки всегда существенно меньше термотока.

Таким образом, полный обратный ток диода

I_обр = I_о + I_т + I_у.

Сравнивая вольт-амперные характеристики кремниевого и германиевого диодов (рис. 3.5), отметим, что кремниевые диоды имеют существенно меньшую величину обратного тока вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. По этой же причине прямая ветвь характеристики у кремниевых диодов идет значительно правее, чем у германиевых.

На этом рисунке для наглядности масштаб по оси обратных токов взят более крупный, а за нулевое значение прямого тока диода принят порог чувствительности измерительного прибора I_пор, с помощью которого определяется этот ток. Поэтому характеристика прямого тока не проходит через нуль, а смещена относительно него на величину

равную для германиевых диодов ~0,05 В, а для кремниевых диодов 0,5 В.

Влияние температуры на вольт-амперные характеристики.

На вольт-амперные характеристики диода оказывает существенное влияние температура окружающей среды. Представленные на рис. 3.6 и 3.7 эксперимен-

Рис. 2.6 Рис.2.7 3

тальные зависимости показывают, что при повышении температуры резко

возрастает обратный ток перехода I_о6р, становится более крутой прямая ветвь характеристики.

Причина этих явлений заключается в сильной зависимости концентрации неосновных носителей заряда от температуры.

Например, в электронном полупроводнике концентрация дырок р_n, согласно выражениям (2.4) и (2.8), с повышением температуры возрастает по экспоненциальному закону:

p_n = (n /N_д) =(N /N_д) exp(– ∆W/ kT)

Вследствие этого с повышением температуры резко возрастает ток экстракции электронно-дырочного перехода (2.59), так как величина его пропорциональна концентрации неосновных носителей заряда:

I_o = (eПD_pp_n)/L_p = (ПD_peN_c²)/L_pN_д exp(– ∆W/ kT)

или I_о = I_Т exp(– ∆W/ kT)

где I_Т = (ПD_peN_c²)/L_pN_д 2.5)

На величину I_T температура практически не влияет, следовательно, ток экстракции Iо с повышением температуры увеличивается по экспоненциальному закону.

Зависимость прямого тока от температуры определяется соотношением, вытекающим из выражений (1.57) и (2.4):

I = I_o exp eU/kT = I_T exp (eU – ΔW )/ kT (2.6)

В рабочем режиме eU < ΔW, поэтому показатель экспоненты отрицателен и c повышением температуры прямой ток возрастает, а характеристика идет круче (смещается влево).

Влияние температуры более существенно в германиевых диодах, так как германий имеет меньшую ширину запрещенной зоны ΔW, чем кремний.

Предельно допустимая температура диода.

Максимально допустимое из схемотехнических соображений увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 – 100°С для германиевых диодов и 150 – 200°С для кремниевых диодов.

Минимально допустимая температура диода определяется теоретически энергией ионизации акцепторных и донорных примесей и достигает –200°С, практически из соображений климатической устойчивости ее устанавливают в пределах от –60 до –70°С.

Дифференциальные параметры полупроводникового диода

Дифференциальными параметрами полупроводникового диода называют величины, связывающие малые изменения тока диода с малыми изменениями независимых переменных. Отметим попутно, что дифференциальные параметры широко применяются для описания свойств не только диодов, но и других электронных приборов; они относятся к важнейшим показателям их качества, входящим в 4 группу показателей назначения, в подгруппу функциональных параметров.

Ток в диоде фактически является функцией двух независимых переменных – электрического напряжения UI и температуры диода Т:

I = f(U, T),

поэтому дифференциал тока имеет две составляющие:

dI = (∂I/∂U)dU + ∂I/∂T)dT (2.7)

Частные производные перед дифференциалами независимых переменных U и Т представляют собой дифференциальные параметры полупроводникового диода. Введем для них следующие обозначения:

S = I/ U (2.8)

– дифференциальная крутизна вольт–амперной характеристики диода (прямая проводимость), мА/В, или См;

S_I(T) = I/ Т (2.9)

– дифференциальная температурная чувствительность тока диода, мА/°С или мА/К.

Кроме этих двух параметров широко используют еще один параметр, который можно ввести, положив в выражении (2.7) dI = 0:

S_U(T) = U/ Т (2.10)

— дифференциальная температурная чувствительность напряжения диода, мВ/°С или мВ/К.

Используя введенные обозначения, запишем соотношение (2.7) в виде

dI = SdU + S_I(T) dТ (2.11)

Отсюда

S_U(T) = S_I(T) /S (2.12)

Рассмотренные параметры можно определить по вольт-амперным характеристикам диода, снятым для нескольких значений температуры. Знание этих параметров позволяет осуществить оптимальный выбор режима диода.

Пример 2.1. По вольт-амперным характеристикам кремниевого диода 2Д103А (см.рис. 2.6) определить для рабочей точки (Uпр=0,6 В при T = 20⁰С параметры диода. Заменив в выражениях (2.8), (2.9), (2.10) бесконечно малые приращения независимых переменных их конечными приращениями, получим:

S = I/U|_T=const , S_U(T) = U/T |_I=const , S_I(T) = I/ T | _U=const .

Из характеристик диода (см. рис. 2.6) для указанной рабочей точки найдем:

dI|_T=const =15 — 11=4 мА, dU| _I=const =0,7—0,54 = 0,16B,

dT| _U=const =120-20 = 100°С,

S = 4/16=25мА/B, S_I(T) =4/100 =0,04 мА/°C, S_U(T) = 0,16/100 =1,6 мВ/°C.

Следует иметь в виду, что дифференциальные параметры характеризуют прибор только в заданной рабочей точке, а при изменении режима их величина существенно изменяется. Из выражения (1.57) следует, что

S = (e/kT)I. (2.13)

Из соотношений (2.6) и (2.12) находим:

(2.14)

Пример 2.2. Найти теоретические значения S и S_I(T) для кремниевого диода при температуре 300 К, напряжении U =0,6 В:

5

e/kT = 1,6 10^-19/1,38 10^-23 300 ≈ 40 I/B, kT = 0,026 эB.

Отсюда

S = 40 I мA/В, S_I(T) = (0.6–1.12)/(0,026 300) = 0,06I мА/^ОС.

Пробой диода

Когда обратное напряжение диода достигает определенного критического значения, ток диода начинает резко возрастать (см. рис. 2.4). Это явление называют пробоем диода. Заметим, что пробой сопровождается выходом диода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в диоде, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Более того, для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом.

Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависит от типа диода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.

Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода: электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. При электрическом пробое число носителей заряда в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки, при тепловом пробое — за счет термической ионизации атомов.

Электрический пробой. Обычно длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины электронно-дырочного перехода. Если за время свободного пробега электроны успевают набрать достаточную энергию, то возникает ударная ионизация атомов электронами. Поскольку скорость электронов, определяющая их энергию, зависит от напряженности электрического поля: ν_n = μ_nЕ, для ударной ионизации необходима определенная величина этой напряженности. В германиевом переходе она составляет 80–120 кВ/см.

В результате ударной ионизации наступает лавинное размножение носителей заряда. Обозначим число носителей заряда, вновь возникающих вследствие ионизации, n₂, а число носителей заряда, поступающих в переход,– n_1. Величину М =n₂/n₁ называют коэффициентом размножения носителей заряда. Исследования дают следующую зависимость коэффициента размножения носителей М от приложенного к диоду напряжения U:

M = 1/[1 – (U/U_л)^k]. (2.15)

Величина напряжения пробоя U_л зависит от рода материала, его удельного сопротивления р и типа перехода:

U_л = ар^m. (2.16)

Значения постоянной а и показателей степени m и k указаны в табл. 2.1.

6

Таблица 2.1