Изучение электрофизических процессов в p-n переходе

Цель работы: Изучить вольт-амперные характеристики выпрямительного и туннельного диодов, рассмотреть процессы, определяющие особенности ВАХ. Выяснить характер влияния температуры на эти процессы.

Основные сведения из теории

Полупроводниковый диод содержит р-n переход, который в настоящее время является основным элементом твердых схем. В твердых схемах, где все элементы выполняются технологической обработкой монокристалла полупроводника, изоляция между отдельными элементами осуществляется р-n переходами, запертыми обратными напряжениями.

Для создания р-n перехода обычно в пластинку из полупроводника n-типа вводят акцепторную примесь. Характер границы между р-n-областями определяет физические свойства р-n перехода. Рассмотрим обычный резкий р-n переход, в котором концентрация акцепторной и донорной примеси изменяется скачком на границе раздела (рис. 2.36, а). При этом концентрация акцепторной примеси значительно выше концентрации донорной, что обычно наблюдается у диодов твердых микросхем. В р-области концентрация дырок Р_р – основных носителей, значительно больше их концентрации в n-области Р_n. Поэтому они диффундируют в n-область, где становятся неосновными носителями (рис. 2.36, б). Благодаря этому в некотором слое р-области, примыкающей к границе раздела, появляется отрицательный объемный заряд ρ , обусловленный отрицательными ионами акцепторной примеси.

Рис. 2.36. Характеристики р-n перехода

Аналогично диффузия электронов будет сопровождаться образованием в n-области положительного объемного заряда ионами донорной примеси (рис. 2.36, в). Наличие объемного заряда в приконтактной области вызывает появление электрического поля (рис. 2.36, г).

Следовательно, на границе раздела между р- и n-областями имеется разность потенциалов, которую называют контактной U_К (рис. 2.36, е). Электрическое поле, созданное в приконтактной области ионами легирующей смеси, препятствует переходу через нее основных носителей заряде, Однако это поле вызывает дрейфовый ток неосновных носителей, который направлен противоположно диффузионному току.

При равновесном состоянии и отсутствии внешнего поля результирующий ток через переход равен нулю. Это означает, что силы электрического поля и силы, определяющие диффузию носителей заряда, уравновешивают друг друга в любом сечении кристалла.

Приконтактную область, где имеется электрическое поле, называют р-n переходом. Энергетическая диаграмма р-n перехода для равновесного состояния приведена на рис. 2.36, д. Здесь Е_с – энергия дна зоны проводимости, Е_v – энергия потолка валентной зоны, Е_i – энергия середины запрещенной зоны, Е_F – уровень Ферми, который при соприкосновении полупроводников становится общим.

Рассмотрим количественные соотношения для концентрации основных и неосновных носителей заряда. Как известно, концентрации электронов и дырок в невырожденном примесном полупроводнике зависят от уровня Ферми (Е_F);

(2.85)

где N_c и N_v – эффективные плотности квантовых состояний в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно. Для собственного полупроводника эти концентрации равны:

(2.86)

Энергию середины зоны и уровня Ферми можно записать через соответствующие потенциалы:

(2.87)

где знак минус означает отрицательный заряд электрона.

 

Находя N_c и N_v из (2.86) и учитывая (2.87), концентрации свободных носителей можно записать:

; , (2.88)

где – температурный потенциал. (2.89)

Полагая, что p_i=n_i, концентрации носителей вдали от р-n перехода можно выразить равенствами:

; , (2.90)

где φ _p и φ _n – потенциалы середины запрещенной зоны для р- и n-типа полупроводников (рис. 2.36, e). На этом рисунке φ _c и φ _v – потенциалы дна зоны проводимости и потолка валентной зоны. Как видно из рисунка 2.36, e, контактная разность потенциалов U_k определяется соотношением:

(2.91)
Если найти φ _n и φ _p из (2.90) и подставить в (2.91) то получим:

; ; . (2.92)

Таким образом, высота потенциального барьера р-n перехода определяется соотношением концентраций однотипных носителей на границах перехода, т.е. зависит от удельных сопротивлений р- и n-областей полупроводника.

Если к электронно-дырочному переходу подключен источник напряжения плюсом к р-области, минусом к n-области, то такое подключение называют прямым. При прямом смещении перехода его потенциальный барьер уменьшается, и большее количество носителей, чем при равновесном состоянии, перейдет через границу раздела. Эти избыточные, неравновесные носители, появившиеся в результате понижения потенциального барьера, нарушат электронейтральность полупроводника вблизи перехода и вызовут в равном количестве поток основных носителей из глубины р- и n-областей. Длина свободного пробега электронов и дырок в полупроводнике велика, поэтому неравновесные носители смогут продвинуться вглубь полупроводника на расстояния, значительно большие толщины запорного слоя. При этом электронейтральность кристалла за пределами запорного слоя сохраняется, а концентрации носителей будут повышены. Таким образом, при приложении внешнего напряжения в прямом направлении в результате инжекции носителей через р-n переход будет протекать ток, величина которого нарастает с увеличением приложенного напряжения. В случае малых электрических полей диффузионный ток намного больше дрейфового и складывается из тока электронов и дырок. Уравнение вольт-амперной характеристики, которое выражает зависимость тока от приложенного напряжения, имеет вид:

, (2.93)

где U – напряжение на переходе;

J_S – обратный тепловой ток при U→ ∞ или ток насыщения.

Кривая зависимости тока от напряжения, соответствующая уравнению (2.93), представлена на рис. 2.38, 1 из которого видно, что для р-n перехода при прямом напряжении ток экспоненциально растет с повышением напряжения и сильно зависит от температуры. При обратном напряжении ток стремится к постоянному значению, пока не наступит пробой перехода.

Однако с повышением температуры обратный ток диода возрастает еще сильнее, чем прямой. Вследствие этого уменьшается коэффициент выпрямления диода, представляющий собой отношение прямого тока к обратному при одинаковом прямом и обратном напряжениях:

(2.94)

Это происходит оттого, что у обычных " невырожденных" полупроводниковых материалов, используемых для изготовления диодов и транзисторов, концентрация электронов и дырок не превышает и сильно зависит от температуры. При такой концентрации равновесная разность потенциалов обычно составляет 0, 2-0, 3 В, а ширина обедненного слоя достаточно велика (несколько микрометров).

Если повысить концентрацию электронов и дырок по обе стороны от границы раздела до 10¹⁹ – 10²⁰ см^-3, то ширина обедненного слоя в р-n переходе уменьшится до сотых долей микрона. Такие сильно легированные полупроводники называются " вырожденными". Они обладают малым удельным сопротивлением и по своим свойствам близки к металлам. Напряженность поля в р-n переходе может достигать десятков миллионов вольт на метр (5∙ 10⁷ – 7∙ 10⁷) В/м, так как равновесная разность потенциалов составляет 0, 6 – 0, 7 В. При такой напряженности через р-n переход в обе стороны будет протекать значительный ток, а результирующий ток по внешней цепи будет равен нулю. Если одну из составляющих токов уменьшить с помощью внешней батареи, то во внешней цепи потечет ток в определенном направлении. В отличие от обычного р-n перехода в данном случае ток начинает расти при гораздо меньших напряжениях внешнего источника питания.

ЕС

Рис. 2.37. Туннельный переход

Рис. 2.38. ВАХ выпрямительного (1) и туннельного (2) диода

Дело в том, что в р-n переходе обычного диода электроны, участвующие в создании тока, должны затрачивать определенную энергию для преодоления потенциального барьера между р-n-областями. Если полупроводники легированы и обладают малыми удельными сопротивлениями, то оказывается возможным туннельный механизм перехода электронов через границу областей. При туннельном механизме электрон не затрачивает энергии на преодоление потенциального барьера. Он как бы проходит под ним (как поезд под горой сквозь туннель). Поэтому при малом напряжении через диод протекает значительный ток. Такие диоды получили название туннельных диодов. По своей конструкции он аналогичен обычным полупроводниковым диодам. Однако принцип действия и характеристики этих двух приборов существенно отличаются.

На рис 2.37 представлены зонные диаграммы полупроводников с высокой степенью легирования и диаграмма р-n перехода туннельного диода. Отличительной чертой зонной диаграммы полупроводников для изготовления туннельных диодов является то, что уровень Ферми лежит у них не в запрещенной зоне, а внутри разрешенных зон.

Статические параметры туннельного диода полностью определяются по его вольт-амперной характеристике. На рис. 2.38 для сравнения приведены вольт-амперные характеристики обычного (1) и туннельного (2) диодов. Особенность вольт-амперной характеристики туннельного диода заключается в наличии на ней падающего участка – участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Второе важное свойство характеристики – ее резко нелинейный характер. Туннельный ток при включении диода в прямом направлении достигает максимального значения при напряжении U_max и при дальнейшем увеличении прямого напряжения резко падает. Это связано с тем, что при увеличении прямого напряжения уменьшается число электронов, способных совершать туннельный переход. На практике обратная ветвь характеристики туннельного диода не используется.

Важными преимуществами туннельного диода являются высокие рабочие частоты и широкий температурный диапазон. Частотный предел применения туннельных диодов ограничивается лишь емкостью р-n перехода и паразитной индуктивностью выводов. Туннельные диоды из германия могут работать при температуре +200º С, а из арсенида галлия до +400°С. Они могут работать также и при очень низких температурах (до –260°С).

Электрические свойства туннельных диодов, проверяемые на постоянном токе, характеризуются следующими параметрами:

J_max – ток максимума, соответствующий " пику" вольт-амперной характеристики;

J_min – ток минимума, соответствующий " седлу" вольт-амперной характеристики;

U_max – напряжение максимума (напряжение при J_max );

U_min – напряжение минимума (напряжение при J_min );

Наиболее интересный и важный участок вольт-амперной характеристики туннельного диода – участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Обычно туннельные диоды характеризуются отношением J_max/J_min. Чем больше это отношение, тем лучше диод.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: