Основные качества полупроводников (стр. 2 из 9)
Рис. 1.1
Такое движение зарядов создает диффузионный ток электронов и дырок. Электроны и дырки, переходя через контакт, оставляют в приконтактной области дырочного полупроводника некомпенсированный заряд отрицательных ионов акцепторных примесей, а в электронном полупроводнике — некомпенсированный заряд положительных донорных ионов. Таким образом, электронный - полупроводник заряжается положительно, а дырочный - отрицательно. Между областями с различными типами электропроводности возникает диффузионное электрическое поле, созданное двумя слоями объемных зарядов. Этому полю соответствует разность потенциалов между n и p -областями, называемая контактной. За пределами области объемного заряда полупроводники п- и р-типа остаются электрически нейтральными (рис. 1.2-1 Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия).
Диффузионное электрическое поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных. Электроны p-области и дырки n-области, совершая тепловое движение, попадают в пределы диффузионного электрического поля, увлекаются им и перебрасываются в противоположные области, образуя ток дрейфа или ток проводимости. Выведение же носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через р-n -переход ускоряющим электрическим полем называется экстракцией носителей заряда.
Так как через изолированный полупроводник ток проходить не должен, то между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие. Область, в которой присутствует диффузионное электрическое поле, и называют р-n -переходом. Величина контактной разности потенциалов на переходе определяется отношением концентраций носителей зарядов одного знака в р- и n- областях полупроводника. Ширина слоя объемных зарядов (т.н. запирающий слой) в р и n -областях обратно пропорциональна концентрациям примесей в этих областях, т.е. в несимметричном переходе запирающий слой расширяется в область с меньшей концентрацией примеси. Удельное сопротивление полупроводника в области запирающего слоя существенно выше удельного сопротивления нейтральных областей.
Прямое и обратное включение р-n -перехода
При использовании р-n -перехода в реальных полупроводниковых приборах к нему может быть приложено внешнее напряжение. Величина и полярность этого напряжения определяют поведение перехода и проходящий через него электрический ток (рис. 1.2). Если положительный полюс источника питания подключается к р-области, а отрицательный — к n-области, то включение р-n -перехода называют прямым. При изменении указанной полярности включение р-н-перехода называют обратным.
При прямом включении р-n -перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область, ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода, т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.
Рис. 1.2 Электронно-дырочный переход (а, б, в) и распределение поля в электронно-дырочном переходе (г, д, е)
При включении р-n -перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителей поле в р-n -переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.
Вольтамперные характеристики электронно-дырочного перехода
Теоретическая вольтамперная характеристика (ВАХ) электронно - дырочного перехода выражается уравнением (уравнение Эберса-Моша)
Однако приведенное уравнение весьма приблизительно совпадает с реальными вольт- амперными характеристиками, так как не учитывает целого ряда физических процессов, происходящих в полупроводниках. К таким процессам относятся: генерация и рекомбинация носителей в запирающем слое, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей, явления теплового, лавинного и туннельного пробоев.
Реальная вольт-амперная характеристика диода имеет прямую и обратную ветви.
Процессы генерации и рекомбинации носителей в запирающем слое для некоторых типов полупроводников (кремний) могут оказывать существенное влияние на вид ВАХ.
Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.
Рис. 1.2-2 Реальная и теоретическая ВАХ р-n –перехода.
Диод
Диод — это полупроводниковый прибор с одним электрическим р-nпереходом и двумя выводами. В зависимости от функционального назначения, уровня требуемых электрических параметров в диодах в качестве электрических переходов используются выпрямляющие электронно-дырочные переходы, переходы Шотки, гетеропереходы.
Характерной особенностью выпрямляющего перехода Шотки в отличие от р-п перехода является разная высота потенциальных барьеров для электронов и дырок. Поэтому через переход Шотки может не происходить инжекция неосновных носителей заряда в полупроводнике.
Следовательно, в диодах Шотки отсутствует процесс накопления и рассасывания неосновных носителей в базе. В силу этого такие диоды имеют лучшие частотные свойства по сравнению с диодами с р-п переходом.
А так же диоды подразделяются по площади p-n перехода на точечные и плоскостные.
В точечных диодах p-n переход получают при помощи металлической иглы с нанесенной на острие примесью. При пропускании импульса тока примесь диффундирует в толщу полупроводника, образуя полусферический слой противоположного типа электропроводности.
Точечные диоды имеют малую емкость перехода (< 1 пФ) могут, применятся на всех частотах вплоть до СВЧ. Однако вследствие малой площади перехода точечные диоды допускают токи не более десятков mA.
Плоскостные диоды изготовляют методом сплавления или диффузии. Для их изготовления в пластину исходного полупроводника вплавляется капля примеси, либо создаются условия для диффузии газообразной примеси.
Плоскостные диоды допускают прохождение прямых токов, доходящих до сотен ампер в мощных диодах, но обладают большой емкостью до сотен пФ, что ограничивает частотный диапазон их применения областью НЧ.
Диффузионная область диодов более богата примесями – она является эмиттером. Противоположная область является базой.
Выводы диодов образуются с помощью Me, образующих омический контакт с полупроводником.
Классификация полупроводниковых диодов
В основе практического применения диодов в радиотехнике и их классификации лежит ряд свойств переходов:
1. Выпрямительные.
2. Высокочастотные диоды.
3. Импульсные.Используют свойства асимметрии вольт- амперной характеристики.
4. Стабилитроны.
Используют явления электрического пробоя перехода.5. Варикапы.
Используют зависимость емкости перехода от приложенного напряжения.6. Туннельные и обратные диоды.
Используют туннельный эффект в переходе.7. Диоды Шоттки.
Используют свойства перехода Me – п/п.Классификация современных полупроводниковых приборов запечатлена в системе условных обозначений их типов. В соответствии с возникновением новых классификационных групп приборов совершенствуется и система их условных обозначений, которая за последние 30 лет трижды претерпевала изменения. Система обозначений современных полупроводниковых диодов, тиристоров и оптоэлектронных приборов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919 - 81 и базируется на ряде классификационных признаков этих приборов. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.
Первый элемент обозначает исходный полупроводниковый материал, на базе которого изготовлен прибор. Для обозначения исходного материала используются буквы или цифры, приведённые ниже:
Г или 1 — для германия или его соединений;
К или 2 — для кремния или его соединений;
А или 3 — для соединений галлия (например, для арсенида галлия);
И или 4 — для соединений индия (например, для фосфида индия).
Второй элемент обозначения — буква, определяющая подкласс (или группу) приборов. Для обозначения подклассов приборов используется одна из следующих букв:
Д — диодов выпрямительных и импульсных;
Ц — выпрямительных столбов и блоков;
В — варикапов;
И — туннельных диодов;
А — сверхвысокочастотных диодов;
С — стабилитронов;
Г — генераторов шума;
Л — излучающих оптоэлектронных приборов;