Зміст
Напівпровідникові діоди .. 2Деякі положення і визначення електронної теорії твердого тіла 2
Електронно-дірковий перехід. 11
Вольтамперна характеристика п-р переходу. 16
Діоди. Основні властивості. 19
Напівпровідникові діоди
Деякі положення і визначення електронної теорії твердого тіла
Робота напівпровідникових електронних приладів та інтегральних мікросхем заснована на використанні процесів і явищ, що відбуваються в твердому тілі. Тому знання фізичних основ теорії твердого тіла необхідно для розуміння принципів роботи і параметрів різноманітних електронних елементів.Навколо ядра атома будь-якої речовини рухаються по певних замкнутим траєкторіями (орбітах) негативно заряджені електрони. У нормальному стані ядро атома містить число позитивно заряджених протонів, кількість яких дорівнює кількості зовнішніх електронів і тому атом електрично нейтральний. Число електронів, що обертаються навколо ядра, завжди дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва.
У твердій речовині атоми займають стійкі положення, що визначаються міжатомними зв'язками. Зазвичай найбільш міцні зв'язки виникають в речовині, що має кристалічну структуру.
Обертаються в атомі електрони, які розташовані на зовнішніх орбітах, пов'язані з ядром слабше, ніж електрони, що знаходяться на внутрішніх, близьких до ядра орбітах. Тому під дією сусідніх атомів або внаслідок інших причин зовнішні електрони можуть покинути свою орбіту, що спричинить за собою зміну електричного стану атома. Електрони, що звільнилися від внутрішньоатомних зв'язків, отримали назву вільних електронів. Вони переміщуються всередині речовини між атомами в різних напрямках і з різними швидкостями. При наявності зовнішнього електричного поля безладний рух вільних електронів стає впорядкованим, спрямованим. У результаті виникає електричний струм. Чим більше вільних електронів має речовина, тим вище його електропровідність. Цим і пояснюється хороша провідність металів, а також поділ твердих тіл по здатності їх проводити електричний струм на провідники, напівпровідники і діелектрики.
Кожній орбіті відповідає строго певна енергія електрона, або дозволений енергетичний рівень. Рівні енергії, які не можуть мати електрони при переході з однієї орбіти на іншу, називаються забороненими.
Кількість електронів, що знаходяться на кожній орбіті, і кількість орбіт для кожної речовини зовсім визначені. Електрони завжди прагнуть зайняти рівні найменшої енергії. Тому всі внутрішні електронні орбіти виявляються повністю заповненими. Частково заповненої може бути тільки зовнішня орбіта. Чим більш віддалену від ядра орбіту займає електрон, тим більшу енергію він має. При переходах на орбіти, розташовані ближче до ядра, електрон віддає частину своєї енергії в навколишнє середовище, внаслідок чого його енергія зменшується. Навпаки, якщо електрон у зв'язку з впливом тепла, світла чи будь-яких інших зовнішніх факторів набуває додаткову енергію, то він переходить на нову, більш віддалену від ядра орбіту. Електрон, що отримав додаткову енергію, називається збудженим. Граничним випадком порушення є відрив електрона від ядра. Він залишає атом і стає вільним електроном. Втрачаючи або набуваючи електронів, нейтральний в електричному відношенні атом стає зарядженим. Такий атом називається іоном. Процес відриву електронів від атома або приєднань до атома зайвого електрона, в результаті якого утворюється позитивний або негативний іон, носить назву іонізації атома.
У твердому тілі (кристалі) у зв'язку з впливом сусідніх атомів один на одного, енергетичні рівні розщеплюються, утворюючи енергетичну зону. У деяких речовинах за певних умов енергетичні зони можуть бути розділені проміжком, що не містить енергетичних станів. Такий енергетичний проміжок прийнято називати забороненою зоною. Вона характеризується шириною (DW), яка дорівнює різниці між нижнім рівнем енергії зони провідності і верхнім рівнем енергії валентної зони. Заборонена зона відповідають таким значенням енергії, якими електрон не може володіти. Рівні енергії, зайняті електронами при температурі абсолютного нуля і відсутності зовнішніх впливів, утворюють в твердому тілі так звану нормальну, або валентну, зону. Дозволені рівні енергії, які залишаються не зайнятими при температурі абсолютного нуля, складають у твердому тілі вільну зону. Її нижню частину називають зоною провідності, оскільки рівні, що входять до неї, можуть займати вільні електрони, які отримали додаткову енергію при нагріванні чи іншим шляхом і відірвалися від атомів.
На малюнку 1.1, а схематично показані енергетичні зони характеризують напівпровідник. За вертикальної осі цієї діаграми відкладається рівень енергії, якою володіють електрони. Горизонтальна вісь - безрозмірна, тому необхідно пам'ятати, що поняття енергетичний рівень або енергетична зона характеризує тільки енергетичний стан електрона, а не його геометричне розташування в тілі.
Малюнок 1.1. Енергетичні зони напівпровідника: а - чистого, б - п-типу, в - р-типу
Шириною забороненої зони визначається електропровідність матеріалу. Отже, провідність того чи іншого речовини визначається тією енергією, яку потрібно повідомити валентним електронам, щоб вони могли перейти зі свого нормального енергетичного рівня на вищий енергетичний рівень, відповідний зоні провідності. При цьому електрони втрачають зв'язок з ядром атома і стають вільними і можуть брати участь у формуванні електричного струму при додатку зовнішнього джерела напруги.
Така енергетична модель твердих тіл дозволяє пояснити фізичну сутність поділу їх на провідники, діелектрики та напівпровідники. У провідників зона провідності і зона валентних електронів перекривають один одного, тобто заборонена зона відсутня і валентні електрони легко переходять у зону провідності. У діелектриків ширина забороненої зони велика, і, отже, для переходу валентних електронів в зону провідності їм потрібно повідомити значну енергію (не менше 3 еВ). Для напівпровідників заборонена зона відносно невелика (приблизно 0,5 - 3 еВ), і під дією зовнішніх факторів (тепло, світло, електричне поле і т.п.) електрони за рахунок отримання додаткової енергії можуть перейти з нормальної зони в зону провідності.
До напівпровідників відноситься велика кількість речовин і елементів, які за своїми електричними властивостями займають проміжне положення між провідниками і діелектриками. Формальною ознакою приналежності речовини до класу напівпровідників є величина питомої електропровідності, яка для них може приймати значення в межах ρ = 102 ... 10-8 См / м (до провідників належать речовини з питомою електропровідністю ρ - 104 ... I08 См / м , до діелектрика - речовини, що мають ρ <10-12 См / м). Електропровідність напівпровідників нестійка і сильно залежить від зовнішніх факторів і, насамперед, від температури.
Найбільш широке застосування в напівпровідниковій техніці отримали германій, кремній, селен, а також напівпровідникові сполуки типу арсенід галію, карбід кремнію, сульфід кадмію та деякі ін
Для напівпровідників характерно кристалічну будову, тобто закономірне і впорядковане розташування їх атомів в просторі. У кристалах пов'язані між собою атоми розташовуються строго певним чином на однакових відстанях один від одного, в результаті чого утворюється своєрідна решітка з атомів, між якими існують зв'язки. Вони утворюються зовнішніми валентними електронами, які взаємодіють не тільки з ядром свого атома, але і з ядрами сусідніх атомів. Електрони зв'язку належать уже не одному, а відразу обом, пов'язаних між собою атомів, тобто є для них загальними.
У кристалах елементів четвертої групи таблиці Менделєєва (вуглець, кремній, германій) зв'язок між двома з'єднаннями атомами здійснюється двома валентними електронами - по одному від кожного атома. Тому навколо кожного ядра обертається вісім зовнішніх електронів - чотири «свої» і чотири - від чотирьох сусідніх атомів кристалічної решітки. Зовнішня орбіта кожного з атомів має як би по вісім електронів і стає повністю заповненою. У такому кристалі всі валентні електрони міцно пов'язані між собою і при температурі абсолютного нуля (-273 ° С) вільних електронів, які могли б брати участь в перенесенні зарядів, немає. У цих умовах напівпровідники мають властивості ідеальних ізоляторів. Такий зв'язок між атомами називається двухелектронной, або ковалентний. Схематично структура кристала і ковалентні зв'язку на прикладі кристалічної решітки кремнію показані на малюнку 1.2.
Малюнок 1.2. Ковалентний зв'язок атомів у напівпровідниковому кристалі кремнію: а - чистий напівпровідник; б - з донорної домішкою; в - з акцепторної домішкою.
Під дією зовнішніх факторів деякі валентні електрони - атомів кристалічної решітки можуть придбати енергію, достатню для звільнення від ковалентних зв'язків. Так, за будь-яких температурах вище абсолютного нуля атоми твердого тіла коливаються близько вузлів кристалічної решітки. Чим вище температура, тим більше амплітуда коливань. Час від часу енергія цих коливань, окремі флуктуації якої можуть перевищувати її середнє значення, повідомляється, якому-небудь електрону, в результаті чого його повна енергія виявляється достатньою для періоду з валентної зони в зону провідності. Цей електрон стає вільним і може взяти участь у формуванні електричного струму. Зі збільшенням температури концентрація вільних електронів в напівпровіднику зростає за експоненціальним законом
Таким чином, якщо ззовні буде підведена енергія, достатня для переходу електрона через заборонену зону, то напівпровідник буде мати певну провідністю.
При температурі абсолютного нуля всі валентні рівні заповнені з імовірністю, що дорівнює одиниці, а ймовірність заповнення будь-якого рівня зони провідності дорівнює нулю. При кімнатній температурі частина валентних електронів переходить у зону провідності.
При звільненні електрона з ковалентного зв'язку в ній виникає як би вільне місце, що володіє елементарним позитивним зарядом, рівним по абсолютній величині заряду електрона. Таке звільнилося в електронній зв'язку місце умовно назвали діркою, а процес утворення пари електрон - дірка отримав назву генерації зарядів. При цьому треба мати на увазі, що концентрація дірок в ідеальній кристалічній решітці хімічно чистого (власного) напівпровідника завжди дорівнює концентрації вільних електронів.
При утворенні пари електрон-дірка атом стає зарядженим позитивно і може притягти до себе електрон сусіднього атома. Зв'язок відновлюється, атом знову стає нейтральним. Проте брак електрона буде в сусідньому атомі, який, у свою чергу, захопить електрон у свого сусіда і т.д. до тих пір, поки наявну вакансію не заповнить один з вільних електронів. Процес заповнення вільної зв'язку (дірки) електроном називають рекомбінацією.
Таким чином, по кристалу відбувається переміщення не лише вільних електронів, але і дірок. І вони, також як електрони, можуть взяти участь у формуванні електричного струму. При відсутності зовнішнього електричного поля електрони і дірки переміщуються в кристалі хаотично внаслідок теплового руху. Характеристиками цього руху є: середня довжина вільного пробігу, середній час життя, рухливість носіїв заряду і деякі інші.
При додатку зовнішнього джерела електричного поля, рух дірок і електронів стає впорядкованим і в кристалі виникає електричний струм. Провідність напівпровідника буде обумовлена переміщенням, як вільних електронів, так і дірок. У першому випадку носії зарядів негативні (негативні), у другому - позитивні (позитивні). Відповідно розрізняють два види провідності напівпровідників - електронну, або провідність типу n (від слова, negative - негативний), і дірковий, або провідність типу р (від слова positive - позитивний).
У хімічно чистому кристалі напівпровідника число дірок завжди дорівнює числу вільних електронів і електричний струм у ньому утворюється в результаті одночасного переносу зарядів обох знаків. Така електронно-діркова провідність називається власною провідністю напівпровідника. При цьому загальний струм у напівпровіднику дорівнює сумі електронного й діркового струмів, які в чистому напівпровіднику рівні.
Наявність домішок (атомів інших речовин з іншою валентністю у порівнянні валентністю напівпровідника) істотно змінює провідність напівпровідника. Цілеспрямоване введення в кристал напівпровідника домішок призводить до того, що в ньому буде спостерігатися переважання або вільних електронів, або дірок. Домішки, що викликають у напівпровіднику збільшення вільних електронів, називаються донорними, а викликають збільшення дірок - акцепторними. У першому випадку домішковий напівпровідник отримав найменування напівпровідника п-типу, у другому - р-типу, а провідність, викликана присутністю в кристалі напівпровідника домішок, називається домішкової.
У залежності від того, атоми якої речовини будуть введені в кристал, можна отримати переважання надлишкових вільних електронів або дірок, тобто отримати напівпровідник з переважною електронною або діркової провідністю.
Припустимо, що в кристал кремнію, атоми якого мають чотири валентних електрони, введений атом речовини, що має на зовнішній орбіті не чотири, а п'ять валентних електронів (рисунок 1.2, б), наприклад, атом бору. У цьому випадку атоми бору своїми чотирма з п'яти валентними електронами входять у зв'язку з атомами кристалічної решітки кремнію. П'ятий валентний електрон сурми виявиться не зв'язаним, тобто стає надмірною з точки зору формування зв'язків кристалічної решітки.
Це змінює енергетичну модель напівпровідника (малюнок 1.1). Атоми домішки мають енергетичними рівнями, що відрізняються від рівнів власного напівпровідника. Так, пятивалентной домішки миш'яку, сурми, бору та інших речовин мають енергетичні рівні валентних електронів поблизу зони провідності основного напівпровідника (ці рівні зазвичай називають домішковим, малюнок 1.1, б). Різниця між енергетичним рівнем валентних електронів домішкових атомів і зоною провідності (DW на малюнку 1.1, б) становить приблизно 0,05 еВ. Вже при кімнатній температурі майже всі електрони з домішкового рівня переходять в зону провідності. Вільних електронів стає значно більше, ніж дірок, що виникли в результаті відриву електрона від атома основної речовини. При цьому час життя дірки зменшується у зв'язку з більшою ймовірністю «зустріти» вільний електрон і рекомбінувати. Тому при формуванні електричного струму він в основному визначається електронною складовою.
Напівпровідники, електропровідність яких підвищилася завдяки утворенню великої кількості вільних електронів при введенні домішки, називаються напівпровідниками з електронною провідністю, або скорочено напівпровідниками типу п (або п-типу). Електрони, що становлять переважну більшість рухомих носіїв заряду в напівпровідниках n типу, називають основними носіями заряду, а дірки - неосновними. Домішки, що забезпечують отримання електронної провідності, називають донорними.
Введення в чотиривалентний напівпровідник тривалентного елемента, наприклад галію (рисунок 1.2, в), призводить, навпаки, до незавершеності ковалентних зв'язків кристалічної решітки, які відтворюються за рахунок електронів сусідніх атомів, що відповідає освіті дірки. Утворилися дірки можуть переміщатися по кристалу, створюючи дірковий провідність.
В енергетичній моделі рівні валентних електронів тривалентних атомів домішки (індію, галію, алюмінію та ін) розташовані в безпосередній близькості від зони валентних електронів власного напівпровідника (рисунок 1.1, в, DW »0,05 еВ). У cвязи c цим електрони валентної зони легко переходять на домішковий рівень («захоплюються» тривалентними атомами домішки). Отже, у валентній зоні з'являється велика кількість дірок, що зумовлює підвищення провідності напівпровідника, яка за такої домішки буде доречний. Напівпровідники, електропровідність яких обумовлюється в основному рухом дірок, називаються напівпровідниками з діркової провідністю або скорочено напівпровідниками типу р (р типу), домішки - акцепторними.
Електронно-дірковий перехід
Основним елементом більшості напівпровідникових приладів є електронно-дірковий перехід (р-п перехід), що представляє собою перехідний шар між двома областями напівпровідника, одна з яких має електронну електропровідність, інша - дірковий.Реально електронно-дірковий перехід не можна створити простим зіткненням пластин n і p-типу, так як при цьому неминучий проміжний шар повітря, оксидів або поверхневих забруднень, неможливо ідеальний збіг кристалічних граток і т.д. Ці переходи отримують вплавление або дифузією відповідних домішок в пластинки монокристалу напівпровідника, або шляхом вирощування р-n переходу з розплаву напівпровідника з регульованою кількістю домішок тощо Залежно від способу виготовлення р-n переходи бувають сплавним, дифузійними та ін Однак, для спрощення аналізу процесу формування переходу будемо вважати, що спочатку взяли і механічно з'єднали два домішкових напівпровідникових кристала з провідністю різного типу (n і р типу) з однаковою концентрацією донорних і акцепторних домішок і з ідеальною поверхнею і кристалічними гратами. Розглянемо явища, що виникають на їхньому кордоні.
Малюнок 1.3. Освіта р-п переходу
Внаслідок того, що концентрація електронів в n області вищі, ніж в р-області, а концентрація дірок в р-області вище, ніж у n області, на кордоні цих областей існує градієнт концентрацій носіїв, що викликає дифузійний струм електронів з n області в p область і дифузійний струм дірок з p області в n область. Крім струму, обумовленого рухом основних носіїв заряду, через межу розділу напівпровідників можливий струм неосновних носіїв (електронів з р області в n область і дірок з n області в p-область). Однак, вони незначні (внаслідок суттєвої різниці в концентраціях основних і неосновних носіїв) і ми їх не будемо враховувати.
Якби електрони і дірки були нейтральними, то дифузія в кінцевому підсумку привела до повного вирівнюванню їх концентрації по всьому об'єму кристала. Насправді ж процесу дифузії перешкоджає електричне поле, що виникає в пріконтактной області. Догляд електронів з пріконтактной n області призводить до того, що їх концентрація тут зменшується і виникає нескомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки. Точно так само в р області внаслідок відходу дірок їх концентрація в пріконтактном шарі знижується і тут виникає нескомпенсований негативний заряд іонів акцепторної домішки. Іони ж «піти» зі своїх місць не можуть, так як їх утримують найсильніші сили (зв'язку) кристалічної решітки. Таким чином, на кордоні областей n і p типу утворюються два шари протилежних за знаком зарядів. Виникає електричне поле, спрямоване від позитивно заряджених іонів донорів до негативно зарядженим іонів акцепторів. Область, що утворилися просторових зарядів й електричне поле власне і являє собою р-n перехід. Його ширина має порядок від сотих часток до одиниць мікрометрів, що є значним розміром в порівнянні з розмірами кристалічної решітки.
Таким чином, на кордоні р-n переходу утворюється контактна різниця потенціалів, чисельно характеризується висотою потенційного бар'єра (Dj малюнка 1.3), який основним носіям кожній області необхідно подолати, щоб потрапити в іншу область. Контактна різниця потенціалів має порядок десятих часток вольт.
Поле р-п переходу є гальмівним для основних носіїв заряду і пришвидшує для неосновних. Будь-який електрон, що проходить з електронної області в дірковий, потрапляє в електричне поле, що прагне повернути його назад в електронну область. Точно так само і дірки, потрапляючи з області р в електричне поле р-n переходу, будуть повернуті цим полем назад в p-область. Аналогічним чином поле впливає на заряди, що утворилися в силу тих чи інших причин всередині р-n переходу. У результаті впливу поля на носії заряду область р-п переходу виявляється збідненої, а її провідність - близької до власної провідності вихідного напівпровідника.
Наявність власного електричного поля визначає і проходження струму при додатку зовнішнього джерела напруги - величина струму виявляються різними в залежності від полярності прикладеної напруги. Якщо зовнішня напруга протилежно по знаку контактної різниці потенціалів, то це призводить до зниження висоти потенційного бар'єру. Тому ширина р-n переходу зменшиться (малюнок 1.3, б). Поліпшуються умови для токопрохождения: зменшився потенційний бар'єр зможуть подолати основні носії, що мають найбільшу енергію. При збільшенні зовнішнього напруги струм через р-п перехід буде наростати. Така полярність зовнішньої напруги і струм називаються прямими.
Неважко помітити, що подолали потенційний бар'єр носії заряду потрапляють в область напівпровідника, для якої вони є неосновними. Вони дифундують в глиб відповідної області напівпровідника, рекомбініруя з основними носіями цієї області. Так, у міру проникнення дірок з р-області в n область вони рекомбінують з електронами. Аналогічні процеси відбуваються і з електронами інжектованих в р-область.
Процес введення носіїв заряду через електронно-дірковий перехід при зниженні висоти потенційного бар'єру в область напівпровідника, де ці носії заряду є неосновними, називається інжекцією (від англійського слова inject - впорскувати, вводити).
Якщо поміняти полярність зовнішньої напруги (додати зворотне зовнішня напруга), то електричне поле, що створюється джерелом, збігається c полем р-n переходу. Потенційний бар'єр між р і n областями зростає на величину зовнішньої напруги. Кількість основних носіїв, здатних подолати дію результуючого поля, зменшується. Основні носії 6удут відтягуватися від прикордонних шарів у глиб напівпровідника. Ширина р-n переходу збільшується (ефект Ерлі, малюнок 1.3, в).
Для неосновних носіїв (дірок в n області і електронів в р-області) потенційний бар'єр в електронно-діркового переходу відсутній і вони будуть втягуватися полем в області р-n переходу. Це явище називається екстракцією. Струмом неосновних носіїв, а також носіїв, що виникли в області р-п переходу, і буде визначатися зворотний струм через р-п перехід. Величина зворотного струму практично не залежить від зовнішнього зворотного напруги. Це можна пояснити тим, що в одиницю часу кількість генеруються пар електрон-дірка при незмінній температурі залишається незмінним.
Проведений аналіз дозволяє розглядати р-п перехід як нелінійний елемент, опір якого змінюється в залежності від величини в полярності прикладеної напруги. При збільшенні прямої напруги опір р-n переходу зменшується. Зі зміною полярності та величини прикладеної напруги опору р-n переходу різко зростає. Отже, пряма (лінійна) залежність між напругою і струмом (закон Ома) для р-n переходів не дотримується.
Як видно з малюнка 1.3, р-п перехід являє собою подвійний шар протилежних за знаком нерухомих об'ємних зарядів. Його можна уподібнити обкладками плоского конденсатора, обкладками якого є р - і п-області, а діелектриком служить р-п перехід, який практично не має рухомих зарядів. Величина утворилася, так званої, бар'єрної (зарядної) ємності обернено пропорційна відстані між обкладками. При підвищенні замикаючої напруги, прикладеної до переходу, збільшується область, збіднена рухомими носіями заряду - електронами або дірками, що відповідає збільшенню відстані між обкладками конденсатора і зменшення величини ємності. Отже, pn перехід можна використовувати як ємність, керовану величиною зворотної напруги. Значення бар'єрної ємності коливається від десятків до сотень пікофарад; зміна цієї ємності при зміні напруги може досягати десятикратної величини
При проходженні через перехід прямого струму по обидві сторони від границі розділу областей накопичується надмірне зарядження неосновних носіїв протилежного знака, які не можуть миттєво рекомбінувати. Він формують ємність, яка отримала найменування дифузійної. Дифузна ємність включена паралельно бар'єрної. Значення дифузійного ємності можуть мати порядок від сотень до тисяч пікофарад. Тому при прямому напруг ємність р-п-переходу визначається переважно дифузійної ємністю, а при зворотному напрузі - бар'єрної ємністю.
При прямій напрузі дифузійна ємність не робить істотного впливу на роботу pn переходу, тому що вона завжди зашунтовані малим прямим опором переходу. Її негативний вплив проявляється при швидких перемиканнях р-п переходу з відкритого стану в закрите.
Вольтамперна характеристика п-р переходу
Властивості електронно-діркового переходу наочно ілюструються його вольтамперной характеристикою (рисунок 1.4), що показує залежність струму через р-n перехід від величини і полярності прикладеної напруги. Необхідно звернути увагу на те, що графіки прямої і зворотної гілки ВАХ переходу зазвичай мають різні масштаби для осей ординат і абсцис (масштаби першої та третьої чвертей малюнка). Це зумовлено значною різницею у значеннях прямих і зворотних струмів (див., наприклад, таблицю 1.1), а також допустимих величин прямого і зворотного напруги.Малюнок 1.4. Вольтамперна характеристика р-n переходу
Аналітичним виразом вольтамперной характеристики р-n переходу є формула
де І0 - зворотний струм насичення р-n переходу, який визначається фізичними властивостями напівпровідникового матеріалу;
U - напруга, прикладена до р-n переходу;
е - основа натуральних логарифмів;
q - заряд електрона;
k - постійна Больцмана;
Т - абсолютна температура р-n переходу
Формула (1.1) придатна як для прямих, так і зворотних напруг, при цьому пряме напруга вважається позитивним, зворотне - негативним. У таблиці 1.1. наведені дані, що показують зміна прямого (Іпр) і зворотного (Iоб) струму через перехід при різних величинах прикладеного зовнішнього напруги.
Таблиця 1.1
| U, В | 0,025 | 0,05 | 0,075 | 0,1 | 0,15 | 0,2 | 0,25 |
| Іпр / I0 | 1,71 | 6,3 | 19 | 53 | 395 | 2008 | 21363 |
| Iоб / I0 | -0,42 | -0,84 | -0,95 | -0,98 | -0,998 | »- 1 | »- 1 |
З таблиці і формули (1.1) випливає, що при позитивних (прямих) напругах струм через р-n перехід зі збільшенням напруги різко зростає, тому
При негативних (зворотних) напругах показник ступеня числа е - негативний. Тому при збільшенні зворотної напруги величина
тобто зворотний струм дорівнює струму насичення і в певних межах залишається величиною практично постійною. Зазвичай струм І0 має величину порядку мікроампер.
Р-п перехід являє собою нелінійний елемент. У нього не тільки явно виражена неоднакова провідність при прямому і зворотному напрузі, але і явна нелінійність прямої гілки ВАХ. Її можна описати статичним і диференційним (динамічним) опорами. Диференціальний опір (rд) знаходиться шляхом диференціювання ВАХ, що з урахуванням (1.2) приводить до виразу:
Динамічний опір може бути визначено графічно як котангенс кута між дотичною в розглянутій точці ВАХ та віссю абсцис (штрихова лінія на малюнку 1.4. З кутом нахилу β):
де DU і DI - кінцеві збільшення напруги і струму поблизу робочої точки;
ти і mI - масштаби осей напруги та струму.
Статичний опір (Rст) чисельно дорівнює відношенню напруги на елементі U до протікає через нього струму I. Це опір одно котангенс кута нахилу прямої, проведеної з початку координат через задану робочу точку ВАХ, до осі абсцис:
У залежності від того, на якій ділянці ВАХ розташована задана робоча точка, значення Rст може бути менше, дорівнює або більше значення rд. Однак Rст завжди позитивно, у той час як rд може бути і негативним, як, наприклад, у випадку тунельного діода.
Падіння напруги на прямий галузі ВАХ переходу можуть бути визначені аналітично:
Діоди. Основні властивості
Напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий прилад з одним випрямляючих електричним переходом і двома висновками.Як випрямляє електричного переходу використовується електронно-дірковий р-п перехід, що розділяє р і n області кристала напівпровідника, який був розглянутий вище. По суті, до р - і n областями кристала приварюються або припаюються металеві висновки, і вся система полягає в металевий, металокерамічний, скляний або пластмасовий корпус. Тому основні характеристики і параметри діода визначаються властивостями переходу. Перш за все, це його розпрямлюючі властивості.
Як було зазначено вище вольтамперная характеристика (ВАХ) діода (малюнок 1.4), в першому наближенні, описується виразом (1.1). Деякі відмінності визначаються реальними конструктивно-технологічними особливостями і припущеннями, використаними при виведенні (1.1). Найбільш помітні розбіжності при зворотних напругах. Зворотний струм збільшується при збільшенні зворотної напруги, в той час як з аналізу він повинен бути практично незмінним. Обумовлюється це появою складових, пов'язаних із зростанням обсягу (товщини) pn переходу і витоками по поверхні діода між його висновками. Співвідношення між цими складовими і струмом I0, що входять у вираз (1.1), різна в різних приладів і, перш за все, залежить від типу вихідного напівпровідникового матеріалу. Так, для германію основну роль грає тепловий струм, а для кремнію - картина протилежна. Тому, хоча теоретичні значення зворотного струму I0 германієвих діодів на 7 ... 8 порядків більше, ніж для кремнієвих, реальні зворотні струми відрізняються приблизно на 3 порядки.
Так як зворотні струми невеликі, а індивідуальні розкид можуть бути значними, то в технічній документації діода вказують їх максимально можливі величини, одержувані при певних умовах. У подальшому, для позначення зворотного струму ми будемо використовувати позначення I0, не враховуючи його поділ на складові. Для збереження наступності обчислення прямого струму у вираз (1.2) вводять поправочний коефіцієнт т:
який для кремнієвих діодів може приймати значення 2 і вище.
Властивості pn переходу істотно залежать від температури навколишнього середовища. При підвищенні температури зростає генерація пар носіїв заряду - електронів і дірок, тобто збільшується концентрація неосновних носіїв і власна провідність напівпровідника, що, перш за все, б'є по зміні зворотного струму. При збільшенні температури зворотний струм збільшується приблизно в 2 рази при зміні температури (DT) на кожні 100С у германієвих і на кожні 7,50 С у кремнієвих діодів:
де зворотний струм
Максимально припустиме збільшення зворотного струму визначає максимально допустиму температуру діода, яка складає 80 ... 100 ° С для германієвих діодів і 150 ... 200 ° С - для кремнієвих.
Мінімально допустима температура діодів лежить в межах мінус (60 ... 70) ° С.
Прямий струм pn переходу при нагріванні зростає не так сильно, як зворотний струм. Це пояснюється тим, що прямий струм виникає в основному за рахунок домішкової провідності. Але концентрація носіїв, визначаються домішкою, від температури практично не залежить. Температурна залежність прямої гілки вольтамперной характеристики згідно з формулою (1.4) визначається змінами струму І0 та показника експоненти, в який входить температурний потенціал. Збільшення зворотного струму призводить до зміни падіння напруги на ньому при проходженні прямого струму. Якщо через германієвий діод протікає постійний струм, при зміні температури падіння напруги на діоді змінюється приблизно на 2,5 мВ / ° С:
Для діодів в інтегральному виконанні dU / dT становить від - 1,5 мВ / ° С в нормальному режимі до - 2 мВ / ° С в режимі мікрострумів.
При певному значенні зворотної напруги Uобр = Uпроб, починається лавиноподібний процес наростання зворотного струму Iобр, відповідний електричного пробою pn переходу (відрізок АВ малюнка 1.5).
Малюнок 1.5. Вольтамперна характеристика діода (стабілітрона)
Пробій діода виникає або в результаті дії сильного електричного поля в р-п перехід, або в результаті розігріву переходу у зв'язку з виділенням на ньому значної потужності, що перевищує можливості тепловідведення. Перший тип пробою називається електричним, другий - тепловим. Електричний пробій звернемо, тобто після зменшення напруги Uобр робота діода відповідає пологому ділянці зворотної гілки ВАХ. Хоча, якщо зворотний струм при електричному пробої не обмежити, то він переходить в тепловій (ділянка ВАХ після точки В). Тепловий пробій незворотній, оскільки руйнує pn перехід.
Електричний пробій характерний для кремнієвих діодів. У германієвих діодах при збільшенні зворотної напруги тепловий пробій pn переходу настає практично одночасно з початком лавиноподібного наростання струму Iобр.
Електричний пробій буває двох видів. Перший з них виникає у вузьких переходах, в яких під дією сильного електричного поля електрони можуть звільнитися з ковалентних зв'язків та отримати енергію, достатню для подолання високого потенційного бар'єру в області р-n переходу (зінеровскій, тунельний пробій). Другий - розвивається в результаті ударної іонізації атомів напівпровідника (лавинний пробій). Сутність цього явища полягає в тому, що рухаючись з більшою швидкістю на ділянці р-n переходу, електрони зіштовхуються з нейтральними атомами і іонізують їх. У результаті такої ударної іонізації з'являються нові вільні електрони і дірки, які, у свою чергу, розганяються полем і створюють дедалі більшу кількість носіїв струму. Описаний процес носить лавиноподібний характер і призводить до значного збільшення зворотного струму через р-n перехід.
Тепловий пробій р-n переходу відбувається внаслідок виривання валентних електронів з зв'язків в атомах при теплових коливаннях кристалічної решітки. Теплова генерація пар електрон-дірка призводить до збільшення концентрації неосновних носіїв заряду і до зростання зворотного струму. Збільшення струму, у свою чергу, призводить до подальшого підвищення температури. Процес наростає лавиноподібно.
Нормальна робота діода в якості елемента з односторонньою провідністю можлива лише в режимах, коли зворотне напруга не перевищує пробивного значення. Можливість теплового пробою діода враховується вказівкою в паспорті на прилад допустимого зворотної напруги Uобр max і температурного діапазону роботи. Напруга пробою залежить від типу діода і температури навколишнього середовища.
Є деякі відмінності і прямої гілки ВАХ реального діода від ВАХ ідеального pn переходу. Наростання падіння напруги діода при великих струмах відступає від експоненціального і стає більш лінійним. Це пояснюється тим, що стає помітним падіння напруги на омічному об'ємному опорі напівпровідника, з якого сформовано діод.
Значні відмінності в зворотних токах діодів на основі германію, кремнію і з'єднань галію (основного напівпровідникового матеріалу світо і деяких надвисокочастотних діодів) призводить до суттєвих відмінностей у їх прямої гілки ВАХ (рисунок 1.6). Пряма гілка ВАХ германієвих діодів починається практично з початку координат, кремнієвих діодів - розташована значно правіше, і ще більший зсув у діодів на основі сполук галію. Помітні струми у малопотужних кремнієвих діодів починаються при прямих напругах 0,2 ... 0,5 В, світлодіодів - 1,2 ... 1,6 В. Можна вважати, що у них є деяке порогове напруга Uпор (зазначених величин), нижче якого прямий струм дорівнює нулю, точніше пренебрежимо малий.
Малюнок 1.6. Прямі гілки ВАХ діодів на основі різних напівпровідникових матеріалів
При аналізі схем з діодами, незважаючи на достатню простоту ВАХ діода її часто ще додатково спрощують (ідеалізують). Використовувані варіанти спрощень представлені на малюнку 1.7.
Малюнок 1.7. Ідеалізовані ВАХ діода
Найбільш широко використовується перша ідеалізація: зворотний струм і падіння напруги на прямосмещенном діоді дорівнюють нулю (рисунок 1.7, а). Похибки ідеалізації максимальні: для германієвих діодів при зворотних напругах; для кремнієвих - при прямих. Бажання врахувати порогове напруга, збільшення падіння при збільшенні прямої струму, наявність зворотного струму приводять до більш складних видів ідеалізованих ВАХ (малюнки 1.7, б, в, г).
Частотні властивості діода багато в чому визначаються процесами перезаряду ємностей. Дифузійна ємність може мати порядок від сотень до тисяч пікофарад, бар'єрна - зазвичай менша. Тому при прямому напруг ємність р-п переходу визначається переважно дифузійної ємністю, а при зворотному напрузі - бар'єрної ємністю. Перетворення сигналу з використанням діодів практично відбуваються при позитивних смещающий напругах. Тому, з точки зору підвищення швидкодії, діод повинен виготовлятися так, щоб по можливості прискорити процеси зміни об'ємного заряду неосновних носіїв або взагалі виключити їх. Останнього можна досягти при використанні так званого випрямного переходу Шотки. Цей перехід утворений контактом метал - напівпровідник. Відповідним вибором матеріалів можна домогтися того, що висота потенційного бар'єра для електронів і дірок в місці контакту буде різною. У результаті цього (при прямому зміщенні) прямий струм діода утворюється тільки за рахунок руху основних носіїв заряду. Так, наприклад, при контакті n напівпровідника з металом струм утворюється тільки за рахунок руху електронів з напівпровідника в метал. Таким чином, в напівпровіднику не створюється об'ємний заряд неосновних для нього носіїв, що відповідає відсутності дифузної ємкості. Звідси випливає, що діоди, виконані на основі переходу Шотки (діоди Шотки), мають більшу швидкодію, ніж діоди з pn переходом.
Крім зазначеного, діоди Шотки відрізняються від діодів з pn переходом меншим прямим падінням напруги через меншої висоти потенційного бар'єру для основних носіїв і більшої припустимою щільністю струму, що пов'язано з гарним теплоотводом. Ці переваги роблять кращим використання діодів Шотки при виготовленні потужних високочастотних випрямних діодів.
Слід також зазначити, що пряма гілка вольт-амперної характеристики діода Шотки через менший опору проходженню струму ближче до ідеальної.
Класифікація діодів представлена в таблиці 1.2, а умовні позначення - на малюнку 1.8. Розглянемо деякі з них, найбільш широко вживані на практиці.
Малюнок 1.8. Умовні графічні позначення напівпровідникових приладів: 1 - випрямний і імпульсний діод; 2 - стабілітрон і Стабистор; 3 - симетричний стабілітрон; 4 - варикап; 5 - тунельний діод; 6 - випромінюючий діод; 7 - фотодіод: 8 - біполярний транзистор pn р-типу ; 9 - біполярний транзистор n pn типу.
Таблиця 1.2
| Ознака класифікації | Найменування діода |
| Площа переходу | Площинний Точковий |
| Напівпровідниковий матеріал | Германієвий Кремнієвий Арсенід галієвих |
| Призначення | Випрямний Імпульсний Надвисокочастотний Стабілітрон (Стабистор) Варикап і т.д. |
| Принцип дії | Тунельний Діод Шотки Випромінюючий Фотодіод і ін |
Випрямний діод являє собою електронний ключ, керований прикладеним до нього напругою. При прямій напрузі ключ замкнуть, при зворотному - розімкнутий. Проте в обох випадках цей ключ не є ідеальним. При подачі прямого напруги за рахунок падіння напруги Uпр на відкритому діоді випрямлена напруга, що знімається з навантажувального пристрою, трохи нижче вхідної напруги. Значення Uпр відкритого діода не перевищує для германієвих діодів 0,5 В, а у кремнієвих 1,5 В.
Основними параметрами випрямних діодів є:
Іпр СР MAX - максимальна (за період вхідної напруги) значення середнього прямого струму діода;
Iобр. ср - середній за період зворотний струм, вимірюваний при максимальному зворотному
Uобр доп - допустима найбільше значення постійного зворотного напруги діода;
fmax - максимально допустима частота вхідного напруги;
Uпр - пряме падіння напруги на діоді при заданому прямому струмі.
Випрямні діоди класифікують також за потужністю та частотою.
За потужністю: малопотужні (Іпр ср max £ 0,3 А); середньої потужності (0,3 А <Іпр ср max £ 10 А); великої потужності (Іпр ср max> 10 А).
За частотою: низькочастотні (fmax <103 Гц); високочастотні (fmax> 103 Гц).
Як випрямних застосовуються також діоди, виконані на випрямляє переході метал - напівпровідник (діоди Шотки). Їх відрізняє менша, ніж у діодів з pn переходом, напруга Uпр і більш високі частотні характеристики. Випрямні діоди використовують для випрямлення змінних струмів частотою 50 Гц - 100 кГц.
Імпульсний діод - напівпровідниковий діод, що має малу тривалість перехідних процесів і використовує (як і випрямний діод) при своїй роботі пряму і зворотну гілки ВАХ при порівняно великих струмах навантаження.
Тривалість перехідних процесів у діоді обумовлена перезаряду ємностей Сдіф і СБАР. Оскільки імпульсні діоди зазвичай працюють при порівняно великих прямих струмах, то процеси накопичення та розсмоктування заряду є переважаючими. Останнє явище визначає швидкодія діодів і характеризується спеціальним параметром - часом відновлення τвос його зворотного опору. Час відновлення зворотного опору tвос - інтервал часу від моменту переключення до моменту, коли зворотний струм зменшується до заданого рівня відліку Iотс
В якості імпульсних широке застосування знаходять діоди Шотки.
Надвисокочастотний діод (НВЧ діод) - напівпровідниковий діод, призначений для перетворення та обробки надвисокочастотного сигналу (до десятків і сотень гігагерц). Надвисокочастотні діоди широко застосовуються в пристроях генерації та посилення електромагнітних коливань НВЧ діапазону, множення частоти, модуляції, регулювання та обмеження сигналів і т.п.
Типовими представниками цієї групи діодів є змішувальні (одержання сигналу суми або різниці двох частот), детекторні (виділення постійної складової НВЧ сигналу) і переключательние (управління рівнем потужності надвисокочастотного сигналу) діоди. Умовне графічне позначення імпульсних і НВЧ діодів аналогічно позначенню випрямних діодів (рис.2.6, 1).
Стабілітрон застосовуються в нелінійних колах постійного струму для стабілізації напруги. Як видно з малюнка 1.5, ділянка ВАХ діода, відповідний електричного пробою, характеризується значною зміною струму при практично незначній зміні падіння напруги на діоді.
Ця ділянка використовують для створення спеціалізованих діодів - стабілітронів, які, у свою чергу, є основою так званих параметричних стабілізатори напруги. Стабілітрони виготовляють, як правило, з кремнію. При використанні високолегіруванного кремнію (висока концентрація домішок, а, отже, і вільних носіїв заряду) напруга стабілізації знижується, а зі зменшенням ступеня легування кремнію - підвищується.
Напруга стабілізації лежить в діапазоні від 3 до 180 В. Для стабілізації більш низьких напруг використовують пряму гілку ВАХ, яка також характеризується крутим наростанням струму. Поєднуючи послідовно кілька діодів, вдається перекрити діапазон напруг нижче 3 В. Діоди, вживані для цієї мети, називають Стабистор. Відмінність стабілітрона від Стабистор полягає у використовуваній для стабілізації напруги гілки ВАХ. Тому буде істотні відмінності, якщо на стабілізуючий діод подати напругу протилежної полярності в порівнянні з робочою:
через стабілітрон (якщо він не двосторонній) потече великий струм, величина якого буде обмежена зовнішніми опорами;
у випадки використання Стабистор струм буде визначатися зворотним струмом р-п переходу.
До основних параметрів стабілітрона відносяться:
Uст-номінальне напруга стабілізації при заданому струмі;
τд - диференціальний опір при заданому струмі;
Iст min - мінімальний струм стабілізації, найменше значення струму стабілізації, при якому режим пробою стійкий;
Варикап - напівпровідниковий діод, дія якого заснована на використанні залежності зарядної ємності Сзар від значення прикладеної напруги. Це дозволяє застосовувати варикап як елемент з електрично керованою ємністю.
Малюнок 1.9. Вольт-фарадні характеристика варикапа
Основною характеристикою варикапа служить вольт-фарадні характеристика (малюнок 1.9) - залежність ємності варикапа Св від значення прикладеної зворотної напруги. У випускаються промисловістю варикапах значення ємності Св може змінюватися від одиниць до сотень пікофарад.
Основними параметрами варикапа є:
Св - ємність, виміряна між висновками варикапа при заданому зворотній напрузі;
КС - коефіцієнт перекриття по ємності, використовуваний для оцінки залежності CB = f (UОБP) і рівний відношенню ємностей варикапа при двох заданих значеннях зворотної напруги (КС = 2 ... 20);
ТКЕВ = DСВ / (СВ DT), - залежність параметрів варикапа від температури характеризується температурним коефіцієнтом ємності де DСв / Св - відносна зміна ємності варикапа при зміні температури DТ навколишнього середовища.
Умовне графічне позначення варикапа наведено на малюнку 1.8,4.
Тунельний діод - займає особливе місце серед напівпровідникових діодів через властивої йому внутрішньої позитивного зворотного зв'язку по напрузі і хороших динамічних властивостей. Його ВАХ має ділянку негативного диференціального опору (ділянка CD на малюнку 1.10). Це пояснюється тим, що при дуже малих товщинах запірного шару (10 ... 10 нм і менше) спостерігається тунельний перехід зарядів з валентної зони в зону провідності. Тунельний діод, завдяки своїй ВАХ, знайшов широке застосування в якості ключового тензодатчика. Умовне графічне позначення тунельного діода наведено на малюнку 1.8,5.
Малюнок 1.10. ВАХ тунельного діода
Випромінюючий діод - напівпровідниковий діод, що випромінює з області pn переходу кванти енергії. Випромінювання випускається через прозору скляну пластину, розміщену в корпусі діода.
За характеристикою випромінювання випромінюючі діоди діляться на дві групи: діоди з випромінюванням у видимій області спектра, що отримали назву світлодіоди; діоди з випромінюванням в інфрачервоній області спектру, що отримали назву ІЧ-діоди. Принцип дії обох груп діодів однаковий і базується на мимовільної рекомбінації носіїв заряду при прямому струмі через випрямляючий електричний перехід. Відомо, що рекомбінація носіїв заряду супроводжується звільненням кванта енергії. Спектр частот останньої визначається типом вихідного напівпровідникового матеріалу.
Основними матеріалами для виготовлення світлодіодів служать сполуки галію і карбід кремнію. Більшу частину енергії, що виділяється в цих матеріалах при рекомбінації носіїв заряду, становить теплова енергія. На частку енергії видимого випромінювання в кращому випадку доводиться 10 ... 20%. Тому ККД світлодіодів невеликий.
Вихідними матеріалами для виготовлення ІК-діодів є арсенід і фосфід галію. Повна, потужність випромінювання цієї групи діодів лежить в межах від одиниць до сотень мілліватт при напрузі на діоді 1,2 ... 3 В і прямому струмі від десятків до сотень міліампер.
Умовне графічне позначення випромінюючих діодів показано на малюнку 1.8,6.
Світлодіоди застосовують як світлових індикаторів, а ІК-діоди - в якості джерел випромінювання в оптоелектронних пристроях.
Фотодіод - напівпровідниковий прилад, принцип дії якого базується на використанні внутрішнього фотоефекту - генерації в напівпровіднику під дією квантів світла (фотонів) вільних носіїв заряду.
Фотодіод використовують для перетворення світлового випромінювання в електричний струм. Умовне графічне позначення фотодіода наведено на малюнку 1.8,7.
Маркування напівпровідникових діодів, розроблених після 1964 р., передбачає шість символів. Перший символ - літера (для приладів загального застосування) або цифра (для приладів спеціального призначення), яка вказує вихідний напівпровідник: Г (1) - германій, K (2)-кремній, А (3)-GaAS.
Другий символ - літера, що позначає підклас діода: Д - випрямні, високочастотні (універсальні) та імпульсні діоди: В - варикапи; С - стабілітрони і Стабистор; Л - світлодіоди.
Третій символ - цифра, що надає призначення діода (у стабілітронів - потужність розсіювання) наприклад, 3 - переключательную, 4 - універсальний і т.д.
Четвертий і п'ятий символи - двозначне число, що вказує порядковий номер розробки (у стабілітронів - номінальна напруга стабілізації).
Шостий символ - літера, що позначає параметричну групу приладу (у стабілітронів - послідовність розробки).
Приклади маркування діодів:
ГД412А - германієвий (Г), діод (Д), універсальний (4), номер розробки 12, група А;
КС196В - кремнієвий (К), стабілітрон (С), потужність розсіювання не більше 0,3 Вт (1), номінальна напруга стабілізації 9,6 У (96), третя розробка (В).
Для напівпровідникових діодів з малими розмірами корпусу використовується кольорове маркування у вигляді міток, які наносяться на корпус приладу.
Електричний і тепловий пробої р-n переходу у багатьох випадках відбуваються одночасно. При надмірному розігріві переходу, коли відбувається зміна структури кристала, перехід необоротно виходить з ладу. Якщо ж при виникнення пробою струм через р-n перехід обмежений опором ланцюга і потужність, що виділяється на переході, невелика, то пробій звернемо.
Значення дифузійного ємності можуть мати порядок від сотень до тисяч пікофарад. Тому при прямому напруг ємність р-п переходу визначається переважно дифузійної ємністю, а при зворотному напрузі - бар'єрної ємністю.