Лекции / Лекция 3 Диоды

ЛЕКЦИЯ 3. ДИОДЫ

3.1.p-n-переход

Диод – комбинация двух полупроводниковых слоев с различными типами проводимости (рис. 3.1). Контакт между слоями или область, обладающая вентильными свойствами, называется электронно-дырочным переходом или просто переходом. Следует отметить, что p-n-переход нельзя получить путем простого контакта (соединения) двух полупроводников разной проводимости.

Как образуется переход? При "контакте" дырки из р слоя переходят в n слой. В приграничном слое остаются отрицательные ионы примеси. Из n слоя в p слой переходят электроны, а остаются положительные ионы примеси. Эти ионы отталкивают подвижные заряды одного с ними знака в глубь слоев от контактной области, где они рекомбинируют с основными носителями. Бесконечно этот процесс продолжаться не может, т.к. поле ионов постепенно начинает препятствовать диффузии. Кроме того диффузионные токи через переход уравновешиваются дрейфовыми токами, возникающими за счет основных носителей, для которых поле перехода является "тянущим". Таким образом наступает равновесие. Приконтактная область – область ионов, обедненная свободными носителями зарядов, и есть p-n-переход.

концентрации неосновных. В результате диффузии из слоя p в слой n перейдет столько же дырок, сколько электронов перейдет из n слоя в p. Если pp = nn , то они освободят одинаковые объемы. Толщина обедненных

областей будет одинаковой. Такой переход называется симметричным. Значительно чаще pp << nn или nn << pp и тогда толщина обедненных

областей буден неодинаковой, а переход – несимметричным. Такой переход в основном сосредоточен в слое с меньшей концентрацией основных носителей, т.е. в слое с большим удельным сопротивлением.

Переход характеризуется, во-первых, шириной

несимметричного перехода l0=ln , или l0=lp .

Здесь ε0 ε – относительная диэлектрическая проницаемость ПП, Nd – концентрация атомов примеси, например, доноров, q – заряд электрона. Для комнатной температуры можно считать n=Nd , т.е. вся примесь ионизована.

образом, ширина перехода и высота потенциального барьера зависят от концентрации носителей в слоях.

Что будет, если приложить к p-n-переходу внешнее напряжение?

nобласти, а минус к p , то это обратное включение диода (U < 0).

2.Изменится ширина перехода. При прямом смещении она уменьшится, при обратном – увеличится.

3.Изменятся концентрации неосновных носителей в слоях. Действительно,

Формулы показывают, что при U > 0 exp(U /ϕT ) >1 и ∆pn > 0. То есть в n - слое при прямом включении появляются избыточные дырки. Этот процесс называют инжекцией. Если U < 0, то exp(−U /ϕT ) < 1, т.к. U >> ϕT , и тогда ∆pn < 0. Т.о. концентрация неосновных носителей уменьшается. Происходит отсос или экстракция неосновных носителей через переход. Аналогично происходит и с электронами. Однако величина инжектируемых электронов и

слоев диода: низкоомный – эмиттер, высокоомный – база. При прямом включении эмиттер инжектирует носители в базу.

Количественно это характеризуют коэффициентом инжекции.

По своей физической сути γ является коэффициентом передачи p-n-перехода по току.

Итак, при прямом включении перехода происходит уменьшение высоты потенциального барьера, уменьшение ширины перехода и происходит инжекция неосновных носителей через переход. Для реальных, несимметричных переходов инжекция идет односторонняя. При обратном включении увеличивается высота потенциального барьера, ширина перехода и происходит экстракция неосновных носителей через переход. Экстракция тоже носит односторонний характер.

3.2. Специальные типы переходов

3.2.1. Переходы между однотипными полупроводниками

К переходам такого типа относятся переходы между слоями с одинаковым типом проводимости, но с разной концентрацией примеси. Для

различия концентраций применяют обозначения p+ − p и n+ − n. Обычно разница концентраций не превышает двух порядков. Рассмотрим работу на примере контакта p+ − p .

В результате "контакта" начнется диффузия дырок из p+ слоя в слой p . Диффузия будет происходить из очень тонкой области, прилегающей к границе раздела. В p+ слое образуется обедненный слой ОС

(переход), а в p слое произойдет обогащение дырками приграничной области. Кроме малой ширины, переход будет иметь и малую высоту

комнатной температуре.

Если к переходу приложить внешнее напряжение, то оно все будет падать на самой высокоомной части системы, т.е. на p слое. Ширина перехода практически меняться не будет. Вторая особенность – отсутствие

∆pp = 0.

В итоге мы видим, что у однотипных переходов вентильные свойства практически отсутствуют.

3.2.2. Контакты металл-полупроводник

3.2.2.1. Выпрямляющие контакты

Рассмотрим на примере контакта металл-полупроводник p типа

электронов из металла, который отсчитывается от уровня Ферми до потенциала свободного электрона ϕM , будет меньше потенциала выхода электронов из полупроводника ϕs . При контакте электроны из металла перейдут в полупроводник. Уход электронов из металла приведет к образованию в нем очень тонкого обедненного слоя положительных ионов. Так как в металле электронов очень много, то этот слой влияния на общий контакт оказывать не будет. Электроны, попав в p слой, будут рекомбинировать с дырками. Концентрация дырок в приграничном слое уменьшится, уровень Ферми отойдет от потолка зоны валентной к середине запрещенной зоны. Тип проводимости при этом не меняется. На зонной диаграмме контакта это отражено искривлением границ зон в полупроводнике.

Высота потенциального барьера равна контактной разности потенциалов или разности потенциалов выхода ϕ Ms = ϕ M − ϕ s .

Контакт обладает вентильными свойствами, т.к. внешнее напряжение оказывается приложенным к обедненному слою, т.е. к переходу. Его ширина

и высота потенциального барьера будет зависеть от величины и полярности прикладываемого напряжения.

Пример контакта такого типа Al − Si − p.

Аналогично работает контакт M − n, если ϕs < ϕ M , т.е. ϕFs > ϕFM .

Существенной особенностью выпрямляющих контактов металлполупроводник является отсутствие инжекции неосновных носителей через переход. Отсюда не требуется времени на рассасывание неосновных носителей, увеличивается скорость передачи информации. Контакты такого рода находят очень широкое применение в быстродействующих электронных устройствах (диоды с барьером Шоттки).

3.2.2.2. Невыпрямляющие контакты (омические)

Такие контакты получают комбинацией слоев полупроводника и металла, но с противоположным, чем в выпрямляющих контактах, соотношением уровней Ферми. Рассмотрим на примере контакта

электронов более выгодным является нахождение их в полупроводнике. При контакте диффузия электронов из металла приведет к образованию несущественного обедненного слоя в металле и обогащенного электронами приконтактного слоя в полупроводнике. Самой высокоомной частью системы будет не переход, а слой полупроводника. Внешнее напряжение не окажет влияния на переход, никаких вентильных свойств у контакта не будет.

Омические контакты образует алюминий с кремнием p типа, а также с

кремнием n+ (рис. 3.6). Без омических контактов не обходится ни один полупроводниковый прибор. Например, определение диода в новом представлении может быть сформулировано так. Диод – полупроводниковый прибор, состоящий из двух слоев с разным типом проводимости и имеющий один p − n переход и два омических контакта. На рис. 3.7 схематически показан кремниевый диод с омическими контактами из алюминия.

3.3. Физика работы диода

Рассмотрим ее на примере диода с p -эмиттером.

Если к диоду приложить внешнее напряжение U положительной полярностью к p -области, а отрицательной к n , то уменьшится ширина p-n-перехода, высота потенциального барьера и произойдет инжекция дырок из эмиттера в базу. В базе нарушится электронейтральность. Из внешней цепи от источника U поступят электроны в базу и восстановят электронейтральность. Уход дырок из эмиттера в базу нарушит

электронейтральность эмиттера. Из эмиттера во внешнюю цепь уйдут лишние электроны. Восстановится электронейтральность эмиттера. Таким образом во внешней цепи течет электронный ток.

При обратном включении диода увеличивается ширина перехода, высота потенциального барьера и происходит экстракция дырок из базы в эмиттер. Нарушается электронейтральность базы. Из базы во внешнюю цепь уйдут лишние электроны. Приход лишних дырок в эмиттер нарушит нейтральность эмиттера и из внешней цепи для восстановления нейтральности придут электроны. Нетрудно заметить, что направление тока во внешней цепи при обратном включении диода противоположно направлению прямого тока.

Связь между током и напряжением диода описывается вольт-амперной характеристикой (ВАХ):

где I0 – ток диода при обратном включении, или обратный ток. График ВАХ показан на рис. 3.8.

Для кремниевых диодов ВАХ описывается несколько иной зависимостью:

Сдвиг ВАХ кремниевых диодов вправо объясняется большей,чем у германия, шириной запрещенной зоны.

По графику ВАХ можно определить сопротивление диода постоянному току Rд =U / I . При обратном включении Rдобр =U / I0 . Дифференциальное

На прямой ветви ВАХ rд =ϕT / I , на обратной rдобр =ϕT / I0 . Из формул следует, что Rдобр >> Rд и rдобр >> rд .

Так как сопротивление диода определяется сопротивлением перехода, то на переходе происходит падение практически всего внешнего напряжения и на нем выделяется мощность P = UI . Тратится она на нагревание. В результате температура перехода оказывается выше температуры окружающей среды. Эта разница

Tпер − Tокр = Rt P .

Здесь Rt – тепловое сопротивление, оно является функцией конструкции и технологии диода. Его размерность [Rt ]= град/Вт.

3.4. Прямая характеристика реального диода

Мы получили ВАХ I = I0 (exp[U /ϕT ]−1). У реальных приборов при прямом включении зависимость иная. У них на основной диффузионный ток накладывается ток рекомбинации носителей на ловушках в самом р-п-переходе. В результате ток прямой уменьшается. Ток рекомбинации зависит от внешнего напряжения и поэтому существенен для Si-диодов в области малых токов при напряжениях до 0,2 – 0,3 В, т. е. в пределах "пятки". В Ge-диодах ток диффузионный растет с "нуля" и т. о. ток рекомбинации не влияет на начальный участок, не уменьшает прямой ток.

Второе отличие от идеального диода состоит в том, что реальные диоды имеют высокоомные базы. Это делается для увеличения коэффициента инжекции γ =1− ρэ / ρб . Следовательно, база диода обладает омическим (активным) сопротивлением, которое определяют по формуле:

Uб = I rб . То есть. не все внешнее напряжение оказывается приложенным к р-п-переходу. Это следует учитывать в формуле ВАХ:

пологой зависимости I от U. Как видно из рис. 3.9, в области малых токов падением напряжения на rб можно пренебречь.

ВАХ реального диода зависит от температуры. От температуры зависят концентрация носителей, подвижность, коэффициент диффузии. В свою очередь, они влияют на сопротивление слоев диода и на параметры перехода. В целом это приводит к зависимости ВАХ от температуры (рис. 3.10). Из рисунка видно, что один и тот же ток при большей температуре можно получить при меньшем напряжении.

В диоде p-n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор с емкостью Cп . Емкость зависит от прикладываемого смещения и существенна лишь при обратном включении диода.

При прямом включении происходит инжекция носителей в базу. Избыточный заряд обозначим через ∆Q . Если учесть, что это вызвано изменением напряжения ∆U , то можно записать:∆Q / ∆U = Cдиф . Индекс у емкости показывает, что ∆Q – заряд диффундирующих по базе носителей.

Диффузионная емкость не связана с протеканием тока через переход. Это как бы фиктивная емкость, однако она влияет на фазовые соотношения между током и напряжением. Cдиф существенна только при прямом смещении

диода.

Весь диод можно рассматривать как некоторую емкость по отношению к металлическим выводам – емкость корпуса Ск . Таким образом, емкость диода равна:

Cд = Cпер + Cдиф + Cк .

Сучетом всех рассуждений мы можем нарисовать эквивалентную схему реального диода (рис. 3.11). Следует отметить, что данная эквивалентная схема справедлива для линейного участка ВАХ и только для переменного

тока. Более подробно см. 3.6. Cдиф не проставлена на схеме, т. к. она не влияет на ток.

3.5. Обратная характеристика реального диода

Из ВАХ идеального диода при обратном включении при U >> ϕT

следует, что I = I0 , т. е. не зависит от напряжения. I0 – обратный ток диода. У реальных диодов обратный ток состоит из трех токов: теплового, термогенерации и тока утечки.

3.5.1. Тепловой ток

Этот ток обусловлен генерацией неосновных носителей в слоях n и p , примыкающих к переходу. После генерации носители подхватываются электрическим полем и уносятся в другой слой: дырки из n -базы вытягиваются отрицательным полюсом источника U в эмиттер, а электроны эмиттера положительным полюсом базы притягиваются в базу. Так как в соответствии с законом действия масс в базе генерируется больше дырок, чем электронов в эмиттере, то экстракция носит односторонний характер. Чем больше удельное сопротивление базы, тем больше тепловой ток. Носители, возникающие вдали от перехода, рекомбинируют с основными и вклада в тепловой ток не дают. Толщина области возникновения носителей составляющих I0 равна диффузионной длине неосновных носителей.

Тепловой ток зависит от напряжения лишь в области малых U . С ростом напряжения exp(U /ϕT ) → 0 и I = I0 . Поэтому тепловой ток также называют обратным током насыщения.

Зависимость обратного тока от температуры аппроксимируется

например, при комнатной температуре T0 , а T * – температура удвоения.

Если ∆T = T *, то тепловой ток удваивается. Для германиевых диодов T *= 10 °С, а для кремниевых – 5 °С. Сравнение обратных токов по величине дает:

I0Ge =107 I0Si .То есть, тепловой ток кремниевых диодов пренебрежимо мал по сравнению с германиевыми диодами.

3.5.2. Ток термогенерации

В p-n-переходе реального диода происходит генерация носителей. Они подхватываются полем перехода и уносятся в эмиттер и базу. У диодов с n -базой генерируются в основном дырки. Следовательно, у таких диодов ток термогенерации так же, как и тепловой ток – дырочный. В равновесном состоянии ток термогенерации уравновешивается рекомбинационным током носителей, попадающих в переход из слоев диода.

Ток термогенерации зависит от напряжения из-за зависимости ширины перехода, т. е. объема области генерации от напряжения.

Зависимость от температуры описывается формулой, аналогичной зависимости теплового тока:I g (T )= Ig (T0 ) 2∆T /T* . Однако температура

удвоения для германиевых приборов равна 14 °С, а кремниевых – 10 °С. Ток термогенерации германиевых диодов значительно меньше теплового тока. Ток термогенерации кремниевых диодов на три порядка больше теплового тока. Так как у кремниевых приборов температура удвоения теплового тока 5 °С, а тока термогенерации 10 °С, то I0 растет быстрее I g и при 100 °С

становится основным током. Обобщая значения температур удвоения I0 и I g , для приближенных расчетов в рабочем диапазоне температур считают, что германиевые и кремниевые приборы имеют одинаковые температуры удвоения всех составляющих T * ≈10 °С.

3.5.3. Ток утечки

У диодов p-n-переход выходит на поверхность кристалла. По поверхности перехода может протекать ток – ток утечки I у . Движение

носителей происходит по поверхностным уровням. Поверхностные уровни – это молекулярные и ионные пленки окислов основного материала, молекулы газов и воды, ионы кислорода, водорода, дефекты кристаллической решетки и т.д.

У кремниевых диодов I у накладывается на ток I g , у германиевых на

I0 . Ток утечки не является постоянным для данного типа диодов. Каждый диод имеет разную поверхность и, следовательно, индивидуальный ток утечки. Ток утечки нестабилен во времени, он как бы "ползет". I у растет с

ростом напряжения, а от температуры практически не зависит. Ток утечки измеряют при малых (до 1 В) обратных напряжениях.

3.5.4. Пробой перехода

Пробой перехода – это резкое уменьшение дифференциального сопротивления (рост тока) при незначительном росте обратного напряжения. Существует четыре типа пробоя: полевой, лавинный, тепловой и поверхностный.

3.5.4.1. Полевой пробой

Физика пробоя такова. С увеличением обратного напряжения растет напряженность поля в переходе. Валентные электроны как бы подготавливаются полем к отрыву от атома. Достаточно еще небольшого толчка энергии, например, фотона, чтобы электроны оторвались и стали свободными. Обратный ток резко возрастает. С точки зрения зонной теории это равносильно уменьшению ширины запрещенной зоны.

Напряжение полевого пробоя с некоторым коэффициентом пропорционально удельному сопротивлению базы U z = а ρб .

ВАХ диода с учетом пробоя показана на рис. 3.12. За начало пробоя условно принимают десятикратный рост тока: при U = U z , I =10I0 .

3.5.4.2. Лавинный пробой

Пролетая через переход, ускоренные полем носители могут выбить валентные электроны у атомов. Процесс подобен цепной реакции – происходит лавинное размножение свободных носителей, резко увеличивающих обратный ток. Процесс описывается полуэмпирической формулой для коэффициента ударной ионизации, или коэффициента лавинного размножения:

где UM – напряжение лавинного пробоя. При U = UM , M = ∞. Напряжение лавинного пробоя зависит от удельного сопротивления

базы: UM = a ρб m . Коэффициент a аналогичен случаю полевого пробоя, а показатель степени m зависит от материала и типа проводимости базы. В принципе, m <1. Соотношение напряжений полевого и лавинного пробоев зависит от удельного сопротивления базы: