Иcследование полупроводниковых диодов

10

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

Электронно-дырочный переход (р-п-переход) - это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности: одна - n-типа, другая - p-типа.

Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь (создается n-область), а в другую - акцепторную (получается р-область). Введение примесей в кристалл полупроводника называется легированием.

Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми (симметричный p-n-переход).

В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация которых значительно меньше, чем основных. Наличие неосновных носителей определяется генерацией электронно-дырочных пар при разрыве ковалентной связи. Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р-области в n-область, а электроны - из n-области в р-область. Попадая в n-область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере их продвижения вглубь концентрация дырок уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р-область, постепенно рекомбинируют там с дырками, и концентрация их уменьшается.

Диффузия основных носителей заряда через границу раздела р- и n-областей создает ток диффузии в р-n-переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси: уход электронов - положительный заряд ионов доноров в n-области, а уход дырок - отрицательный заряд ионов акцепторов в р-области (рис.1.1, а).

а) б) в)

Рис.1.1. Структура и графики распределения потенциала электронно-дырочного перехода при отсутствии (а), прямом (б) и обратном (в) включении внешнего напряжения

В результате образования по обе стороны границы между р- и n-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в р-n-переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к р-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальным барьером. Его действие определяется высотой потенциального барьера (рис.1.1,а). В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.

Слой, образованный участками по обе стороны границы, где появились неподвижные заряды противоположных знаков, является переходным слоем и представляет собой собственно р-n-переход. Этот слой, из которого уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем. Он обладает большим удельным сопротивлением.

Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновных носителей. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля создает в р-n-переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:

Iдр = Iр др + In др.

Направление дрейфового тока противоположно диффузионному. При этом Iдиф = Iдр и ток через р-n-переход равен нулю.

Величина установившейся высоты потенциального барьера ?_к зависит от материала полупроводника, температуры и концентрации примеси (для германия0,2...0,3 В, для кремния 0,6...0,8 В).

Установившаяся высота потенциального барьера ?_К в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов Uк в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы: ?_К= Uк.

Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

Внешнее напряжение, подключенное плюсом к р-области, а минусом к n-области, называют прямым напряжением Uпр. Напряжение Uпр почти полностью падает на р-n-переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р- и n-областей.

Полярность внешнего напряжения Uпр противоположна полярности контактной разности потенциалов Uк, поэтому электрическое поле, созданное на р-n-переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на р-n-переходе: ?=?_К -Uпр.

Однако пока Uпр меньше Uк, еще существует потенциальный барьер; обедненный носителями заряда слой р-n-перехода имеет большое сопротивление, ток в цепи имеет малую величину.

При увеличении внешнего прямого напряжения до Uпр = Uк потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя р-n-перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через р-n-переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током Iпр, который с увеличением прямого напряжения растет.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называют инжекцией.

Прямой ток создается встречным движением дырок и электронов через p-n-переход, направление его соответствует направлению движения положительных носителей заряда - дырок.

Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Обратное напряжение Uобр приложено плюсом к n-области, а минусом - к р-области. При этом потенциальный барьер возрастает: он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений:

?= Uк + Uобр.

Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через p-n-переход, и она уменьшается, а при некотором значении Uобр совсем прекращается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от p-n-перехода. Соответственно расширяются слой, обедненный носителями заряда, и p-n-переход (его сопротивление возрастает).

Внутреннее электрическое поле в p-n-переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к p-n-переходу электрическое поле захватывает их и переносит через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области в n-область, а дырки - из n-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через p-n-переход очень мал. Ток, протекающий через p-n-переход при обратном напряжении, называют обратным током Iобр. Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током Iобр = Iт, который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода

ВАХ p-n-перехода (рис. 1.2) имеет две ветви: прямую и обратную.

Прямой ток создается диффузией через p-n-переход основных носителей заряда. С увеличением Uпр от 0 до Uк, ток Iпр растет медленно и остается очень малым. Это объясняется наличием потенциального барьера, который препятствует диффузии основных носителей заряда, а также большим сопротивлением области p-n-перехода, обедненной носителями заряда. При Uпр>Uк потенциальный барьер исчезает и прямой ток быстро нарастает. Это соответствует интенсивной диффузии через p-n-переход основных носителей заряда при отсутствии области перехода, обедненной ими.

Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда намного ниже, чем основных, обратный ток значительно меньше прямого. При небольшом увеличении обратного напряжения обратный ток сначала возрастает до значения, равного величине теплового тока Iт, а при дальнейшим увеличением Uобр ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, величина обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя Uобр.проб, приводит к пробою р-n-перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и росту обратного тока.

Свойство p-n-перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. На рис.1.2 пунктирной линией показано влияние повышения температуры на прямую и обратную ветви ВАХ p-n-перехода. Повышение температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера ?_к.

Рис.1.2.Вольтамперная характеристика p-n-перехода: а- прямая ветвь; б-обратная ветвь

Пробоем p-n-перехода называют резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения Uобр.проб. Пробой p-n-перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар свободный электрон-дырка. В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой в свою очередь делится на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой - электрический пробой p-n-перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется электрическим полем в области p-n-перехода. При достижении определенной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар электрон-дырка также ускоряется электрическим полем, и они, в свою очередь, участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в полупроводниках, имеющих большую ширину p-n-перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на p-n-переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольтамперной характеристики (см. рис. 1.3).

Рис.1.3.Вольтамперная характеристика стабилитрона

Туннельный пробой - это электрический пробой p-n-перехода, вызванный туннельным эффектом.

Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем.

Оба вида электрического пробоя не разрушают p-n-переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом p-n-перехода, в результате которого происходит интенсивная генерация пар носителей заряда - разрушение ковалентных связей за счет тепловой энергии. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.

Тепловой пробой носит обычно необратимый характер: из-за неоднородности p-n-перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок p-n-перехода расплавляется (приходит в негодность).

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами от областей кристалла с разными видами проводимости.

Полупроводниковые выпрямительные диоды

Принцип действия выпрямительных диодов основан на свойстве односторонней электропроводности p-n-перехода. Если к диоду подвести переменное напряжение, то в течение одного полупериода, когда на аноде положительная полуволна, на p-n-переходе действует прямое напряжение. При этом сопротивление диода мало; через него протекает большой прямой ток. В следующий полупериод полярность напряжения на диоде меняется на обратную. Его сопротивление значительно увеличивается; через него проходит очень малый обратный ток. Нагрузку Rн включают в цепь источника питания последовательно с диодом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном направлении, поскольку обратным током по сравнению с прямым можно пренебречь. Таким образом происходит преобразование переменного тока в постоянный по направлению (пульсирующий).

Вид ВАХ диода определяется вольтамперной характеристикой p-n-перехода. Реальные характеристики отличаются от идеальных из-за влияния различных факторов (токи утечки на поверхности перехода, изменения температуры и др.).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

прямое напряжение Uпр - значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе;

обратный ток Iобр - значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

сопротивление диода в прямом направлении R = Uпр / Iпр; оно составляет единицы и десятки Ом;

сопротивление диода в обратном направлении R = Uобр / Iобр; оно составляет единицы МОм;

дифференциальное сопротивление диода Rдиф - отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока: Rдиф = ?U /?I.

Прямое и обратное сопротивления - это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление - это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной (dU/dI), проведенной в данной точке вольтамперной характеристики к оси абсцисс (зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике).

Отношение напряжения на диоде к току через него U/I называют статическим сопротивлением.

ВАХ выпрямительного диода получаем, измерив напряжение на диоде при подсоединении к нему через резистор источников напряжения различной величиной ЭДС Е (рис. 1.4). Ток диода:

I_пр= (E - U_пр)/R,

где I_пр - ток диода в прямом направлении,

Е - напряжение источника питания,

U_пр - напряжение на диоде в прямом направлении.

Изменив полярность включения диода (рис. 1.4), можно снять ВАХ диода в обратном направлении.

I_об= (E - U_об)/R,

где I_об - ток диода в обратном направлении,

U_об - напряжение на диоде в обратном направлении.

Рис. 1.4

Стабилитроны

Стабилитроном называют полупроводниковый диод, вольтамперная характеристика которого имеет участок малой зависимости напряжения от протекающего тока (рис.1.3). Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения постоянного тока.

Принцип действия стабилитрона основан на использовании свойства p-n-перехода при электрическом пробое сохранять практически постоянную величину напряжения в определенном диапазоне изменения обратного тока. ВАХ стабилитрона приведена на рис. 1.3. В стабилитроне используется только обратная ветвь характеристики. Рабочим участком АБ является ее часть, соответствующая электрическому пробою и ограниченная минимальным и максимальным токами. В стабилитронах, как правило, присутствуют два вида пробоя - лавинный и туннельный.

Параметрами стабилитрона являются:

напряжение стабилизации Uст - напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации Iст;

минимальный ток стабилизации Iст. min - наименьший ток, при котором сохраняется устойчивое состояние пробоя;

максимальный ток стабилизации Iст. max - наибольший ток, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает максимально допустимого значения Рmax; превышение Iст. max приводит к тепловому пробою p-n-перехода и выходу из строя стабилитрона;

дифференциальное сопротивление Rдиф = ?Uст / ?Iст - отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока: Rдиф определяется в рабочей точке B и характеризует точность стабилизации; чем оно меньше, тем лучше осуществляется стабилизация;

статическое сопротивление Rстат = Uст / Iст - сопротивление стабилитрона в рабочей точке при постоянном токе;

температурный коэффициент напряжения ?Uст показывает изменение в процентах напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1 °С.

Выпускаемые промышленностью кремниевые стабилитроны имеют напряжение стабилизации в пределах 3...200 В, минимальный ток от 1 до 10 мА, максимальный ток от 2 мА до 2 А, дифференциальное сопротивление 0,5...500 Ом.

Существуют полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения с использованием в качестве рабочего участка отрезка прямой ветви вольтамперной характеристики, на которой прямое напряжение слабо зависит от тока. Такой полупроводниковый диод носит название стабистора.

При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора (рис. 1.5). Ток стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R:

I_CT=(E-U_CT)/R.

Напряжение стабилизации U_стаб определяется точкой на ВАХ , в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона:

Р_СТ= I_CT *U_CT.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода.

Рис.1.5