Главная | Обратная связь

Электронно-дырочный переход

 

Рассмотрим физические процессы в p-n переходе. Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p-n переход). Он представляет собой переходной слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную. Толщина p-n перехода составляет порядок от единиц до сотых долей микрометра.

По соотношению концентраций основных носителей зарядов в p- и n-областях перехода различают симметричные p-n переходы, когда n_n = p_p, и несимметричные p-n переходы, когда n_n > p_p или n_n < p_p. В последних случаях различие может составлять 100 – 1000 раз и тогда область с большей концентрацией примеси называют эмиттером, а с меньшей – базой. В полупроводниковых приборах используются несимметричные p-n переходы.

В зависимости от площади перехода p-n переходы разделяются на точечные и плоскостные. В зависимости от толщины области изменения концентрации примеси вблизи границы перехода p-n – на резкие переходы и плавные переходы. Переходы, образованные между двумя полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны, называются гетеропереходами.

Для упрощения рассмотрим симметричный p-n переход, двумерная модель которого показана на рис. 3.3. Равновесное состояние перехода, окрестность границы раздела которого представлена на рис. 3.3, соответствует нулевому внешнему напряжению. Поскольку концентрация электронов в n-области значительно больше, чем в p-области (n_n >> n_p), часть электронов из n-области диффундирует в p-область. При этом в p-области вблизи перехода появятся избыточные электроны. Их рекомбинация с дырками приведет к появлению нескомпенсированных отрицательных зарядов акцепторных ионов. С другой стороны от границы – в n-области образуются нескомпенсированные положительные заряды донорных ионов. Последнее явление эквивалентно уходу – диффузии дырок из p-области в n-область. Ионизация атомов примеси зарядами, пересекшими границу раздела, снижает в p-n переходе концентрацию подвижных носителей заряда, формируя обедненный слой с пониженной электропроводностью.

Таким образом, в результате диффузии свободных электронов и дырок по обе стороны границы раздела накапливаются равные по величине и противоположные по знаку нескомпенсированные пространственные (объемные) заряды, образуя в p-n переходе двойной электрический слой разноименно заряженных ионов. В этом слое с пониженной концентрацией подвижных носителей заряда, имеющем толщину около 10^–4 – 10^–5 см, возникает электрическое поле, направленное из n-области в p-область. Напряженность этого поля составляет величину порядка 10⁶ В/м. За пределами перехода полупроводники p- и n-областей электрически нейтральны, и поле в них отсутствует. Возникшее в p-n переходе электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей зарядов, вытесняя из перехода свободные электроны в n-область, а дырки – в p-область. Однако то же самое поле является ускоряющим для неосновных носителей зарядов – дырок в n-области и свободных электронов в p-области. Происходит их перемещение через p-n переход– дрейф, возникают дрейфовые токи. Движение зарядов прекращается, когда наступает динамическое равновесие – дрейфовые и диффузионные токи, направленные навстречу друг другу, уравниваются. Поэтому при отсутствии внешнего поля результирующий ток через

p-n переход равен нулю.

 

Рис. 3.3. Равновесное состояние p-n перехода

 

Появившееся вблизи перехода электрическое поле обуславливает потенциальный барьер (контактную разность потенциалов) φ_K (рис. 3.3). Его величина составляет для германия Ge φ_K = 0,3 0,4 В, для кремния Si φ_K= 0,7 0,8 В. Когда к переходу прикладывается внешнее напряжение, электрическое состояние перехода становится неравновесным. В зависимости от полярности внешнего напряжения потенциальный барьер φ повышается или понижается по сравнению с его величиной φ_K в равновесном состоянии.

Подключение внешнего источника напряжения плюсом к p-области, а минусом к n-области, называют прямымвключением p-n перехода. Напряжение U, приложенное к переходу таким образом, называется прямым U = U_ПР, а протекающий через него ток i– прямым током i = i_ПР. Увеличение прямого напряжения уменьшает и напряженность электрического поля, и контактную разность потенциалов (φ = φ_K – U_ПР). Происходит диффузия основных носителей зарядов – в переход с двух сторон поступают электроны и дырки диффузионного тока, сопротивление перехода уменьшается, величина прямого тока увеличивается.

Подключение внешнего источника напряжения плюсом к n-области, а минусом к p-области, называют обратнымвключением p-n перехода. Напряжение U, приложенное к переходу таким образом, называется обратным U = U_ОБР, а протекающий через него ток – обратным током.Увеличение обратного напряжения увеличивает в переходе электрическое поле, увеличивает контактную разность потенциалов (φ = φ_K +U_ОБР) и толщину обедненного слоя. В этом случае диффузия основных носителей заряда через переход отсутствует и происходит экстракция неосновных носителей заряда, ускоряющихся в суммарном поле контактной разности потенциалов и внешнего источника напряжения. Их дрейф создает обратный ток p-n перехода. При увеличении обратного напряжения до некоторой величины ток не увеличивается, так как в p- и n-областях число неосновных носителей в единицу времени определяется лишь температурой.

Зависимость тока через переход от приложенного к нему напряжения U, выраженная графически, называется вольт-амперной характеристикой(ВАХ). Пример ВАХ p-n перехода приведен на рис. 3.4. Теоретический анализ явлений в p-n переходе в равновесном и неравновесном состояниях, приводит к аналитическому выражению ВАХ:

, (3.2)

 

где – ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей заряда,

– термический потенциал, ( – заряд электрона).

При комнатной температуре (T ≈ 300 К) ≈0,025 В. Приведенная формула хорошо описывает участки 1 и 2 ВАХ, указанные на рис. 3.4.

При прямом напряжении (участок 1), когда U > 0,1 В, ток возрастает по экспоненте и может превышать значение на много порядков. Этот ток , обусловленный при прямом включении основными носителями, может достигать больших значений, т. к. основных носителей заряда в областях n и p много.

При обратном включении (участок 2) ток быстро достигает значения, равного . При определенной температуре ток – величина постоянная, зависящая только от концентрации неосновных носителей n_p и p_n, значение которой определяется только температурой полупроводника, поэтому ток называют тепловым током.

Участки 1 и 2 ВАХ иллюстрируют важнейшее свойство p-n перехода – его одностороннюю проводимость. Сопротивление p-n перехода в прямом направлении мало (порядка 10 Ом),а в обратном направлении – велико (10⁵ – 10⁶ Ом).

 

 

Рис. 3.4. ВАХ p-n перехода

 

При дальнейшем увеличении обратного напряжения происходит резкое увеличение тока через переход – пробой p-nперехода (участок 3 на графике ВАХ). Существуют три основных вида пробоя: туннельный, лавинный (электрический) и тепловой.

Туннельный пробой связан с туннельным эффектом – переходом электронов сквозь потенциальный барьер без изменения энергии.

Лавинный пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, в котором носители на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар путем ударной ионизации атомов полупроводника (4 на графике ВАХ). Туннельный и лавинный пробои не сопровождаются разрушением p-nперехода.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева p-nперехода или отдельного его участка. При этом происходит интенсивная генерация пар электрон–дырка. Ток увеличивается, вызывая дальнейший разогрев перехода. Этот процесс, также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка p-nперехода и выходом прибора из строя.

Наличие при обратном включении p-n перехода (участок 2 на графике ВАХ) слоя, обедненного подвижными носителями заряда, и зависимость толщины этого слоя от величины обратного напряжения U_ОБР свидетельствуют о присущей переходу электрической емкости, называемой барьерной. При прямом включении p-n перехода существенной становится диффузионная емкость С_ДФ, обусловленная изменением заряда неосновных носителей, происходящим в результате их диффузии.

При создании полупроводниковых приборов с теми или иными функциональными свойствами используют определенные участки вольт-амперной характеристики p-nперехода. Участок ВАХ p-n перехода, используемый в конкретном случае, называется рабочим.

 

Диоды

 

Полупроводниковый прибор, содержащий p-nпереход и два внешних вывода, является диодом– двухэлектродным электронным прибором, обладающим различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником, представляемым различными эквивалентными схемами, содержащими в общем случае сопротивления, емкости и индуктивности. Чаще всего диод рассматривают как нелинейную резистивность, характеризуемую вольт-амперной характеристикой.

В основу классификации диодов положены различные признаки – вид электрического перехода, физические процессы в переходе и т. п. В справочниках по полупроводниковым приборам обычно приводится классификация диодов по применению в радиоэлектронной аппаратуре или по назначению. При этом классификация отражает принцип использования свойств электрического перехода, диапазон рабочих частот, исходный материал. Все эти данные находят отражение в системе названий и условных обозначений современных полупроводниковых диодов. Структура реального диода содержит один или несколько электрических переходов.

Выпрямительные низкочастотные диоды.Основное свойство диодов – односторонняя проводимость – позволяет решать многочисленные задачи, в том числе преобразование переменных напряжений (токов) в постоянные напряжения (токи), осуществляемое выпрямителями в источниках питания. Используемые в этих целях диоды называют выпрямительными. Выпрямительные полупроводниковые диоды составляют большой класс приборов. Наибольшее использование в радиоэлектронной аппаратуре нашли кремниевые диоды, германиевые диоды и диоды с барьером Шотки. Основой последних является выпрямляющий контакт металл-полупроводник.

Рабочий участок ВАХ и условные обозначения на схемах выпрямительного диода и диода с барьером Шотки показаны на рис. 3.5. Основными статическими параметрами низкочастотных выпрямительных диодов является прямое падение напряжения U_ПР при заданном прямом токе i_ПР и постоянный обратный ток i_ОБР при заданном обратном напряжении U_ОБР. К основным динамическим параметрам относятся средние за период значения: выпрямленного тока, прямого падения напряжения, обратного тока, обратного напряжения и граничная частота, на которой выпрямленный ток диода уменьшается до установленного уровня. Основными параметрами эксплуатационных режимов являются i_{ПР.МАКС} – максимальные значения прямого тока, U_{ОБР.МАКС} – обратного напряжения, P _МАКС. – мощности, рассеиваемой диодом.

 

Рис. 3.5. Выпрямительный диод:

а) рабочий участок ВАХ;

б) условное обозначение на схемах;

в) условное обозначение на схемах диодов с барьером Шотки;

г) соединение диодов по мостовой схеме;

д) последовательное соединение диодов

 

Наряду с одиночными выпрямительными диодами промышленностью выпускаются выпрямительные блоки, в которых диоды имеют различные схемы соединений. Наиболее часто встречаются соединения диодов по мостовой схеме (рис. 3.5г) и по схеме удвоения напряжения (рис. 3.5д).

Выпрямительные высокочастотные диоды предназначены для нелинейного преобразования сигналов с частотой до сотен и тысяч мегагерц. В радиоэлектронных устройствах они широко используются в схемах детекторов и преобразователей частоты высокочастотных сигналов, в схемах ограничителей и коммутации сигналов и других многочисленных приложениях. Во всех перечисленных применениях сигнал преобразуется за счет нелинейности ВАХ диода. Выпрямительные высокочастотные диоды универсальны по применению и могут выполнять все функции, перечисленные выше. Высокочастотные свойства диодов достигаются их конструктивно-технологическими особенностями, снижающими емкость перехода, сопротивления p- и n-областей, а также время жизни неосновных носителей. Рабочий участок ВАХ, условное обозначение на схемах и статические параметры высокочастотного выпрямительного диода те же, что и у низкочастотных выпрямительных диодов. Основным динамическим параметром является граничная рабочая частота.

Стабилитроны.Полупроводниковые диоды, вольт-амперные характеристики которых имеют участки, где значительным изменениям протекающего тока соответствуют незначительные изменения приложенного напряжения, используют для стабилизации напряжения. Специализированные диоды, в которых используется падающий участок характеристики в области включения p-n перехода в обратном направлении, называют стабилитронами, а диоды, в которых для стабилизации напряжения в схемах используется прямая ветвь ВАХ, – стабисторами. В обоих случаях используется неразрушающий лавинный электрический пробой. На рис. 3.6 представлены рабочий участок ВАХ и условное обозначение стабилитрона на схемах. Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне приведена на рис. 4.6.в. Входное напряжение U_ВХ, превышающее по величине U_ВЫХ,распределяется между ограничивающим сопротивлением R_ОГР и параллельно включенными стабилитроном VD и сопротивлением нагрузки R_Н. При правильно выбранных значениях, U_ВЫХ, R_ОГР и R_Н используется рабочий участок ВАХ прибора и величина U_ВЫХ не выходит за пределы U_СТ. Рассмотренный стабилизатор напряжения называется параметрическим. Он находит широкое применение в радиоэлектронных устройствах.

Рис. 3.6. Стабилитрон:

а) рабочий участок ВАХ;

б) условное обозначение на схемах;

в) параметрический стабилизатор напряжения

 

При подаче обратного напряжения p-nпереход представляет собой конденсатор, диэлектриком которого служит высокоомный запирающий слой с низкой концентрацией носителей заряда, а электродами – слои полупроводникового материала по обе стороны от него, сохраняющие высокую проводимость. Емкостью такого конденсатора является барьерная емкость p-nперехода, зависящая от величины обратного напряжения. С увеличением этого напряжения запирающий слой расширяется, что равносильно увеличению расстояния между электродами. Рассмотренный прибор называют варикапом. Зависимость емкости варикапа С_В от приложенного обратного напряжения для p-nперехода с резкой границей выражается формулой С_БАР(U_ОБР) = С_БАР(0) / (1– U_ОБР /j₀)^0,5. Варикапы используют, главным образом, для управления параметрами колебательных контуров в системах автоподстройки частоты радиоприемных устройств, а также в возбудителях передатчиков с частотной модуляцией и в параметрических усилителях.

Рабочая вольт-фарадная характеристика и условное обозначение варикапа на схемах показаны на рис. 3.7. Там же приведен пример схемы с применением варикапа для перестройки колебательного контура.

 

Рис. 3.7. Варикап:

а) рабочая характеристика;

б) условное обозначение;

в) колебательный контур с электрической перестройкой

 

Транзисторы

 

Транзисторы – широко распространенные полупроводниковые электронные приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования сигналов. В современной радиоэлектронике широко применяются транзисторы двух типов – биполярные и полевые.