Реферат: Физические основы электроники

Если сопротивление запирающего слоя обозначить rд, то кристалл полупроводника с запирающим слоем можно представить в виде последовательного соединения рези­сторов rд и r1.

При прохождении тока IПР на сопротивлении r1 падает часть напряжения внешнего источника и на запирающем слое действует напряжение                       UПЕР = UПР – IПР×r1. Уравнение вольтамперной характеристики в этом случае может быть записано в следующем неявном виде:

.

Рисунок 1.12 Упрощенная эквивалентная схема p-n перехода с распределенным сопротивлением полупроводника.

Поскольку UПЕР < UПР реальная характеристика идет ниже теоретической. Когда напряжение на запирающем слое становится равным контактной разности потенциа­лов, запирающий слой исчезает, и дальнейшее увеличение тока ограничивается распределенным сопротивлением по­лупроводников p- и n-типа. Таким образом, в точке С при UПР = UК вольтамперная характеристика переходит в пря­мую линию.

1.3.6 Емкости   p-n перехода

Изменение внешнего напряжения dU на p-n переходе приводит к изменению накопленного в нем заряда dQ. По­этому p-n переход ведет себя подобно конденсатору, ем­кость которого С = dQ/ dU.

В зависимости от физической природы изменяющегося заряда различают емкости барьерную (зарядную) и диф­фузионную.

Барьерная (зарядная) емкость определяется измене­нием нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. Поэтому идеальный электронно-дырочный переход можно рассматривать как плоский кон­денсатор, емкость которого определяется соотношением

,        (1.41)                                                                                                      

где П, d - соответственно площадь и толщина p-n перехода.

Из соотношений (1.41) и (1.31) следует

.

В общем случае зависимость зарядной емкости от при­ложенного к             p-n переходу обратного напряжения выра­жается формулой

,

где C0 — емкость p-n перехода при UОБР  = 0; g - коэффици­ент, зависящий от типа   p-n перехода (для резких p-n переходов g = 1/2, а для плавных g = 1/3).

Барьерная емкость увеличивается с ростом NА и NД, а также с уменьшением обратного напряжения. Характер зависимости СБАР = f(UОБР) показан на рис. 1.13,а.

Рассмотрим диффузионную емкость. При увеличении внешнего напряжения, приложенного к p-n переходу в прямом направлении, растет концентрация инжектирован­ных носителей вблизи границ перехода, что приводит к изменению количества заря­да, обусловленного неосновны­ми носителями в p- и n-областях. Это можно рассмат­ривать как проявление неко­торой емкости. Поскольку она зависит от изменения диффузионной составляю­щей тока, ее называют диф­фузионной. Диффузионная емкость представляет собой отношение приращения инжекционного заряда dQинж к вызвавшему его изменению напряжения dUпр, т. е.    . Воспользовавшись уравнением (1.30), можно опреде­лить заряд инжектированных носителей, например дырок в n-области:

.

Рисунок 1.13 Зависимость барьерной (а) и диффузионной (б) емкостей  p-n перехода от напряжения.

.

Тогда диффузионная емкость, обусловленная изменением общего заряда неравновесных дырок в n-области, опреде­лится по формуле

.

Аналогично для диффузионной емкости, обусловленной инжекцией электронов в p-область,

.

Рисунок 1.13 Эквивалентная схема p-n перехода.

Общая диффузионная емкость

.

         Зависимость ёмкости от прямого напряжения на p-n переходе показана на рисунке 1.13, б.

Полная емкость p-n перехода определяется сум­мой зарядной и диффузи­онной емкостей:

.

При включении p-n перехода в прямом направ­лении преобладает диффу­зионная емкость, а при включении в обратном на­правлении - зарядная.

На рис. 1.14 приведена эквивалентная схема p-n перехода по переменному току. Схема содержит дифферен­циальное сопротивление p-n перехода rД, диффузионную емкость СДИФ, барьерную емкость СБАР и сопротивление объ­ема p- и  n-областей r1. На основании уравнения (1.37) можно записать:

.

Если при прямом включении p-n перехода Uпр >> jт, то:

;              .

При комнатной температуре     ;    (1.42)                                                                                                     

 (в соотношении (1.42) значение тока подставляется в ам­перах). Сопротивление утечки rУТ учитывает возможность прохождения тока по поверхности кристалла из-за несо­вершенства его структуры. При прямом включении p-n перехода                СБАР << СДИФ, дифференциальное сопротивление rД ПР мало и соизмеримо с r1, поэтому эквивалентная схе­ма принимает вид, показанный на рис. 1.15, а.

Рисунок 1.15 Упрощенные эквивалентные схемы p-n перехода.

При обратном смещении rД ОБР >> r1, СБАР >> СДИФ и эк­вивалентная схема имеет вид, показанный на рис. 1.15, б.

1.4  РАЗНОВИДНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ

1.4.1   Гетеропереходы

Гетеропереход образуется двумя полупроводниками, различающимися шириной запрещенной зоны. Параметры кристаллических решеток полупроводников, составляющих гетеропереход, должны быть близки, что ограничивает выбор материалов. В настоящее время наиболее исследо­ванными являются пары: германий-арсенид галлия, арсенид галлия-мышьяковидный индий, германий-кремний. Различают n-p и p-n гетеропереходы (на первое место ставится буква, обозначающая тип электропроводности полупроводника с более узкой запрещенной зоной). На основе гетеропереходов возможно также создание струк­тур n-n и p-p.

Рисунок 1.16 Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода в равновесном состоянии.

На рисунке 1.16 приведена упрощенная энергетическая диа­грамма n-p перехода между арсенидом галлия р-типа (DWP = 1,5 эВ) и германием n-типа (DWn = 0,67 эВ) в состоянии равновесия (U = 0). При контакте полупровод­ников происходит перераспределение носителей зарядов, приводящее к выравниванию уровней Ферми p- и n-областей и возникновению энергетического барьера для элек­тронов n-области q×Ukn и. для дырок p-области q×Uкp, при­чем Uкn > Uкp.

Рисунок 1.17 Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода, включенного в прямом состоянии.

В состоянии равновесия ток через n-p переход равен нулю. Поскольку потенциальные барьеры для дырок и электронов различны, при приложении к гете­ропереходу прямого напряжения смещения он обеспечит эффективную инжекцию дырок из полупроводника с боль­шей шириной запрещенной зоны (рис. 1.17).

1.4.2 Контакт между полупроводниками одного типа электропроводности

Контакт полупроводников с одним типом электропро­водности, но с разной концентрацией примесей обознача­ют р+-р или п+-п (знаком "плюс" отмечается полупро­водник с большей концентрацией примесей). В таких кон­тактах носители из области с большей концентрацией при­меси переходят в область с меньшей концентрацией. При этом в области с повышенной концентрацией нарушается компенсация зарядов ионизированных атомов примеси, а в другой области создается избыток основных носителей зарядов. Образование этих зарядов приводит к появлению на переходе собственного электрического поля и кон­тактной разности потенциалов, определяемой следующи­ми соотношениями: для p+-р перехода

;

для n+-n перехода     .

В этих переходах не образуется слой с малой концентра­цией носителей зарядов, и их сопротивление определяет­ся в основном сопротивлением низкоомной области. По­этому при прохождении тока непосредственно на контак­те падает небольшое напряжение и выпрямительные свойст­ва этих переходов не проявляются. В p+-p и n+-n- переходах отсутствует инжекция неосновных носителей из низкоомной области в высокоомную. Если, например, к переходу   n+-n подключен источник тока плюсом к n-области, а минусом к n+-области, то из n+-области в n-область будут переходить электроны, являющиеся в ней основ­ными носителями зарядов. При изменении полярности внешнего напряжения из n+-области в n-область должны инжектироваться дырки, однако их концентрация мала, и этого явления не происходит. Переходы типа p+-p и n+-n возникают при изготовле­нии омических контактов к полупроводникам.

Рисунок 1.18 Энергетическая диаграмма p-i перехода.

Промежуточное поло­жение между p+-p- или n+-n- и p-n переходом занимают p-i и n-i переходы. Такие переходы обра­зуются между двумя плас­тинами, одна из которых имеет электронную или ды­рочную электропроводность, а другая - собственную.

На рис 1.18 показаны энергетическая диаграмма и изменение концентра­ций на границе двух по­лупроводников с p- и i-областями. Вследствие раз­ности концентраций носи­телей зарядов в p- и i-областях происходит инжекция дырок из p-области в i-область и электронов из i-области в p-область. Вследствие малой величины инжекционной составляющей электрон­ного тока потенциальный барьер на границе перехода соз­дается неподвижными отрицательными ионами акцепторов р-области и избыточными дырками i-области, диффундирующими в нее из p-области. Поскольку  >> , глуби­на распространения запирающего слоя в i-области значи­тельно больше, чем в р-области.

1.4.3 Контакт металла с полупроводником

Свойства контакта металла с полупроводником зависят от работы выхода электронов из металла (W0м) и из полу­проводника (W0n или W0p). Электроны переходят из мате­риала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. При контакте металла с электронным по­лупроводником при выполнении условия W0n < W0p элек­троны переходят из полупроводника в металл. Если осу­ществлен контакт металла с дырочным полупроводником и выполняется условие W0м < W0p, будет происходить переход электронов в полупроводник. И в том, и в другом случае произойдет обеднение свободными носителями за­ряда приконтактной области полупроводника.

Обедненный слой обладает повышенным сопротивлени­ем, которое может изменяться под воздействием внешнего напряжения. Следовательно, такой контакт имеет нели­нейную характеристику и является выпрямляющим. Пере­нос зарядов в этих контактах осуществляется основными носителями, и в них отсутствуют явления инжекции, накоп­ления и рассасывания зарядов. Таким образом, выпрям­ляющие контакты металл-полупроводник малоинерцион­ны и служат основой создания диодов с барьером Шоттки, обладающих высоким быстродействием и малым временем переключения.

Если при контакте металла с полупроводником выпол­няется условие       W0м < W0м или W0м > W0p, то приконтактный слой полупроводника обогащается основными носителями заряда и его сопротивление становится низким при любой полярности внешнего напряжения. Такой контакт имеет практически линейную характеристику и является невыпрямляющим.

1.4.4 Омические контакты

Омическими называют контакты, сопротивление кото­рых не зависит от величины и направления тока. Другими словами, это контакты, обладающие практически линей­ной вольт-амперной характеристикой. Омические контак­ты обеспечивают соединение полупроводника с металли­ческими токопроводящими элементами полупроводниковых приборов. Кроме линейности вольт-амперной характери­стики, эти контакты должны иметь малое сопротивление и обеспечивать отсутствие инжекции носителей из метал­лов в полупроводник. Эти условия выполняются путем вве­дения между полупроводником рабочей области кристал­ла и металлом полупроводника с повышенной концентра­цией примеси (рис. 1.19). Контакт между полупроводника­ми с одинаковым типом электропроводности является не­выпрямляющим и низкоомным. Металл выбирают так, что­бы обеспечить малую контактную разность потенциалов. Одним из способов получения омических кон­тактов является введение в металл примеси, которой легирован полу­проводник. В этом случае при сплавлении металла с полупровод­ником в контактной области об­разуется тонкий слой вырожден­ного полупроводника, что соответ­ствует структуре, изображенной на рис. 1.19.

Рисунок 1.19 Структура омического контакта.

1.4.5 Явления на поверхности полупроводника

В результате взаимодействия полупроводника и окру­жающей среды на поверхности кристалла образуются раз­личные соединения, отличающиеся по своим свойствам от основного материала. Кроме того, обработка кристалла приводит к дефектам кристаллической решетки на поверх­ности полупроводника. По этим причинам возникают по­верхностные состояния, повышающие вероятность появ­ления свободных электронов или незаполненных ковалентных связей. Энергетические уровни поверхностных состоя­ний могут располагаться в запрещенной энергетической зоне и соответствовать донорным и акцепторным примесям.

Поверхностные состояния меняют концентрацию носи­телей заряда, и в приповерхностном слое полупроводника возникает объемный заряд, приводящий к изменению уров­ня Ферми. Поскольку в состоянии равновесия уровень Ферми во всем кристалле полупроводника одинаков, поверх­ностные состояния вызывают искривление энергетических уровней в приповерхностном слое полупроводника.

В зависимости от типа полупроводника и характера по­верхностных состояний может происходить обеднение или обогащение поверхности кристалла носителями заряда.

Обеднение возникает в том случае, если поверхност­ный заряд совпадает по знаку с основными носителями заряда. На рис. 1.20 показано образование обедненного слоя на поверхности полупроводника n-типа при такой плотности поверхностных состояний, что уровни Win и Wфn  не пересекаются. Повышение плотности пространст­венного заряда может привести к пересечению уровня Ферми с уровнем середины запрещенной зоны (рис. 1.21), что соответствует изменению типа электропроводности у поверхности полупроводника. Это явление называют ин­версией типа электропроводности, а слой, в котором. оно наблюдается, - инверсным слоем.

Если знаки поверхностного заряда и основных носите­лей противоположны, происходит обогащение приповерхностной области основными носителями зарядов. Такую область называют обогащенным слоем (рис. 1.22).

Электропроводность приповерхностного слоя полупро­водника может изменяться под действием электрического поля, возникающего за счет напряжения, прикладываемо­го к металлу и полупроводнику, разделенным диэлектриком. Если предположить, что до включения напряжения поверх­ностные состояния на границе полупроводника и диэлект­рика отсутствуют, то электропроводности приповерхност­ного слоя и объема полупроводника будут одинаковыми.

При включении напряжения между металлом и полу­проводником возникает электрическое поле, и на поверх­ности металла и в приповерхностном слое полупроводни­ка, как на пластинах конденсатора, накапливаются заряды. Например, если полупроводник электронный и к нему прикладывается отрицательное напряжение, то под дейст­вием электрического поля у

поверхности увеличиваются концентрация электронов и электропроводность приповерхностного слоя полупроводника (см. рис. 1.22). При изме­нении полярности напряжения концентрация электронов в приповерхностном слое уменьшается, а дырок - увели­чивается. В связи с этим электропроводность приконтактной области уменьшается, стремясь к собственной. Уве­личение напряжения приводит к тому, что концентрация дырок становится выше концентрации электронов и про­исходит изменение (инверсия) типа электропроводности слоя. При этом электропроводность приповерхностного слоя увеличивается. Зависимость электропроводности припо­верхностного слоя полупроводника n-типа от напряжения показана на рис. 1.23. Это явление принято называть эф­фектом поля.

2  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

2.1 Классификация

Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам:

- методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шоттки и др.;

- материалу: германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др.;

- физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды. диоды Ганна и др.;

- назначению: выпрямительные, универсальные, импульс­ные, стабилитроны, детекторные, параметрические, смеситель­ные, СВЧ-диоды и др.

Некоторые из указанных типов диодов по назначению будут рас­смотрены в настоящей главе, а другие - в соответствующих разде­лах учебного пособия.

2.2 Выпрямительные диоды

Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения промышленной час­тоты (50 или 400 Гц) в постоянное. Основой диода является обыч­ный p-n переход. В практических случаях p-n переход диода имеет достаточную площадь для того, чтобы обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений ди­од обычно выполняется из высокоомного материала.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7