ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДОВ И СТАБИЛИТРОНОВ

1.1. p-n-переход в состоянии равновесия

Электронно-дырочный, или p-n-переход, – область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому, рисунок 1.

Такой переход создается в одном кристалле полупроводника с использованием сложных технологических операций. Возможны различные исполнения p-n-перехода, отличающиеся: резкостью и уровнем изменения концентраций доноров и акцепторов на границе перехода, размером и формой самого перехода, а также наличием каких-либо неоднородностей в переходе. Все эти факторы оказывают существенное влияние на свойства p-n-перехода и используются для придания реальным полупроводниковым приборам тех или иных характеристик.

В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток I_диф – носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной. Область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, созданный оставшимися после рекомбинации свободных носителей отрицательными ионами акцепторной примеси, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, созданный положительными ионами донорной примеси. Таким образом, в тонком слое полупроводника у границы раздела р- и n-областей образуются две зоны пространственного заряда противоположного знака. Этот слой и представляет собой собственно р-n-переход, рисунок 1.

Рисунок 1 – p-n-переход в состоянии равновесия

Между зонами пространственного заряда противоположного знака возникает диффузионное электрическое поле Е_диф, созданное двумя слоями объемных зарядов. Этому полю соответствует разность потенциалов между p- и n-областями U_к, называемая контактной. За пределами области объемного заряда полупроводники p- и n-типа остаются электрически нейтральными. Разность потенциалов между p- и n-областями, или потенциальный барьер, составляет десятые доли вольта.

Величина контактной разности потенциалов на переходе определяется отношением концентраций носителей зарядов одного знака в p- и n- областях полупроводника. Ширина слоя объемных зарядов, так называемый запирающий слой, в p- 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.

В полупроводниках постоянно образуются и рекомбинируют тепловые электронно-дырочные пары, создавая неосновные носители (электроны в p-области и дырки в n-области). 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 дрейфовый ток I_др в направлении, противоположном диффузионному току I_диф.

Так как через изолированный полупроводник ток проходить не должен, то между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие.

1.2. Прямое и обратное включение p-n-перехода

При использовании p-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. Если положительный полюс источника питания подключается к p-области, а отрицательный – к n-области, то включение p-n-перехода называют прямым. При изменении указанной полярности включение p-n-перехода называют обратным.

При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю, рисунок 2. 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.

Рисунок 2 – Прямое включение p-n-перехода

Повышенная диффузия носителей зарядов через переход приводит к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.

При включении p-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, рисунок 3. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителей поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Рисунок 3 – Обратное включение p-n-перехода

Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремится к предельному значению I_S , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.

1.3. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения I = f(U) называют вольтамперной характеристикой p-n-перехода, рисунок 4.

Рисунок 4 – Теоретическая и реальная ВАХ р-n-перехода

Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода описывается уравнением Эберса-Молла:

, (1)

где I – ток через переход при напряжении U;

I_S – ток насыщения, создаваемый неосновными носителями заряда. I_S называется также тепловым током, так как концентрация неосновных носителей зависит от температуры;

q_e – заряд электрона;

k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

– температурный потенциал перехода, примерно равный при комнатной температуре 0,025 В = 25 мВ.

Если р-n-переход включен в прямом направлении, напряжение U берут со знаком плюс, если в обратном – со знаком минус.

При прямом приложенном напряжении можно пренебречь единицей по сравнению со слагаемым , и ВАХ будет иметь чисто экспоненциальный характер.

При обратном (отрицательном) напряжении слагаемым можно пренебречь по сравнению с единицей, и ток оказывается равным .

Однако уравнение Эберса-Молла весьма приблизительно совпадает с реальными вольтамперными характеристиками, так как не учитывает целого ряда физических процессов, происходящих в полупроводниках. К таким процессам относятся: генерация и рекомбинация носителей в запирающем слое, поверхностные токи утечки, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей, явления теплового, лавинного и туннельного пробоев.

Если ток, протекающий через переход, незначителен, то падением напряжения на сопротивлении нейтральных областей можно пренебречь. Однако при увеличении тока этот процесс оказывает все большее влияние на ВАХ прибора, т.е. его реальная характеристика идет под меньшим углом и вырождается в прямую линию, когда напряжение на запирающем слое становится равным контактной разности потенциалов.

При некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем перехода. Существует три вида пробоев: туннельный, лавинный и тепловой. Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.

Туннельный эффект (эффект Зенера) заключается в прямом переходе валентных электронов из одного полупроводника в другой (где они уже будут являться свободными носителями заряда), что становится возможным при высокой напряженности электрического поля на переходе. Такая большая напряженность электрического поля на переходе может быть достигнута при высокой концентрации примесей в p- и n-областях, когда толщина перехода становится очень маленькой.

В широких p-n-переходах, образованных полупроводниками со средней либо малой концентрациями примесей, вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается и более вероятным становится лавинный пробой.

Лавинный пробой возникает, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины перехода. Если за время свободного пробега электроны накапливают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов в переходе, то наступает ударная ионизация, сопровождающаяся лавинным размножением носителей зарядов. Образовавшиеся в результате ударной ионизации свободные носители зарядов увеличивают обратный ток перехода.

Тепловой пробой обусловлен значительным ростом количества носителей зарядов в p-n-переходе за счет нарушения теплового режима. Подводимая к переходу мощность P_обр = I_обрU_обр расходуется на его нагрев. Выделяющаяся в запирающем слое теплота отводится преимущественно за счет теплопроводности кристаллической решетки. При плохих условиях отвода теплоты от перехода, а также при повышении обратного напряжения на переходе выше критического значения, возможен его разогрев до температуры, при которой происходит тепловая ионизация атомов. Образующиеся при этом носители зарядов увеличивают обратный ток через переход, что приводит к его дальнейшему разогреву. В результате такого нарастающего процесса переход недопустимо разогревается и возникает тепловой пробой, характеризующийся разрушением кристалла.

Увеличение числа носителей зарядов при нагреве перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого на обратной ветви ВАХ при тепловом пробое появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.