Электронно-дырочный переход (ЭДП)

Контакт между полупроводниками p- типа и n- типа проводимости называется электронно - дырочным переходом (ЭДП) или p-n- переходом.

ЭДП нельзя осуществить путем простого соприкосновения двух разнородных полупроводниковых пластин, т.к. при этом неизбежен промежуточный слой воздуха или поверхностных пленок.

ЭДП получают путем введения разнородных примесей в соседние области одного монокристалла различными технологическими способами, из которых, для кремниевых вентилей, наиболее широко применяют сплавной, диффузионный, диффузионно- сплавной, эпитаксиальный и т.д.

Исходным материалом для кремниевого ЭДП является сверхчистый монокристалл кремния, обладающий электрической проводимостью с удельным сопротивлением 1,0¸1,2 Ом×м.

2.3.1. Технология изготовления ЭДП

2.3.1.1. Сплавная технология

Монокристалл кремния разрезают из пластины толщиной 0,5-0,7 мм, из которых вырезают диски. Диаметр выбирают из расчета плотности тока 0,5-1,0 А/мм². Шлифуют, протравливают, промывают, затем вместе с легирующими примесями располагают между вольфрамовыми дисками и помещают в графитовые кассеты. В кассете на нижний вольфрамовый диск накладывается пластина из сплава сурьмы, серебра и свинца, затем кремниевый диск, пластина из сплава алюминия с кремнием и верхний вольфрамовый диск.

Кассеты помещают в вакуумные печи и нагревают до температуры 800-850^°С несколько минут. В процессе сплавления в кремниевом диске образуются высоколегированные зоны p и n с глубиной проникновения 30-40мкм, создающие p-n-переходы. Вольфрамовые диски, обладающие одинаковыми с кремнием коэффициентом объемного расширения, служат основаниями и употребляются для уменьшения механических напряжений в кремнии, возникающих из-за нагрева кремниевых пластин.

После охлаждения вентильного элемента по окружности кремниевого диска снимается фаска, а диск по торцу покрывается специальной эмалью для защиты ЭДП от пробоя поверхности. Для защиты от влаги, загрязнений и механических повреждений вентильный элемент помещают в герметичный корпус, состоящий из медного основания и металлостеклянной или металлокерамической крышки (стакана) с гибким выводом. При сборке вентиля нижний вольфрамовый диск припаивают к массивному медному основанию, обеспечивающему хороший отвод тепла, а верхний вольфрамовый диск – к внутренней части гибкого вывода, служащего электродом вентиля.

2.3.1.2. Диффузионная технология

На поверхность отшлифованного и очищенного диска кремния n- типа наносится раствор азотнокислого алюминия и борной кислоты. После просушки диск помещают в печь, где при температуре 1300^°С в течение 8-10 часов происходит диффузия алюминия и бора в кремнии на глубине 80-100 мкм, чем создается зона p- проводимости.

После остывания диск с одной стороны шлифуют для удаления p-слоя и химическим никелированием образуют контакты с обеих сторон пластины. Затем полученный p-n-переход припаивают к вольфрамовым дискам и при изготовлении вентилей обрабатывают так же как и при сплавной технологии. Диффузионная технология применяется шире, так как при этом можно получать более равномерные p-n-переходы.

Также применяется диффузно – сплавная технология.

Применение пайки для присоединения ЭДП к выводам в ряде случаев ограничивает допустимую температуру элементов вентиля и снижает его надежность. Для мощных вентилей с большим диаметром выпрямительных элементов получили распространение таблеточные конструкции с прижимными контактами, обеспечивающие меньшие механические напряжения и двусторонний отвод тепла от полупроводникового элемента.

2.3.2. ЭДП при отсутствии внешнего напряжения

До соприкосновения двух полупроводников с различными типами проводимости электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно.

При образовании ЭДП через плоскость контакта возникают диффузионные потоки основных носителей заряда, вызванные их неравномерной концентрацией: электронов из n-слоя в слой p и дырок из p-слоя в n-слой.

Диффундирующие электроны и дырки, попадая в область, где они являются не основными носителями, интенсивно рекомбенируют. Вследствие этого концентрация свободных носителей в области, прилегающей к плоскости контакта, резко снижается до собственной, что приводит к образованию на границе ЭДП тонкого, так называемого, запорного (запирающего) слоя, обладающего высоким сопротивлением.

Уход основных носителей из приграничной области приводит к тому, что избыточные электрические заряды неподвижных доноров и акцепторов, связанные с решетками полупроводника, оказываются нескомпенсированными, то есть по обе стороны границы разделов двух полупроводников создаются объемные заряды различных знаков.

В области n положительный электрический заряд образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками.

В области p отрицательный объемный заряд образован отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и от части, пришедшими электронами.

Между образующимися объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле. Таким образом, возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

Рис. 2.8. Потенциальная диаграмма p-n-перехода

На рис. 2.8 контактная разность потенциалов j_к = j_n - j_p, вектор напряженности электрического поля Е_к, толщина p-n-перехода L. Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов j_к, которая в свою очередь зависит от концентрации примесей в этих областях:

(2.3)

, (2.4)

где – тепловой потенциал,

к – постоянная Больцмана (к=1,38×10^-23Дж/к=8,6×10^-5эВ/к),

q – заряд электрона (q=1,6×10^-19Кл),

Т – абсолютная температура, К,

n_n, p_p – концентрация электронов и дырок в n- и p-областях,

n_i – концентрация носителей в нелегированном полупроводнике.

Чем больше концентрация примесей, тем больше концентрация основных носителей и тем большее их число диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, увеличиваются j_к и высота потенциального барьера, при этом L уменьшается.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов (дрейф). Движение носителей под действием электрического поля называется дрейфом носителей, где Е_к перемещает дырки из n-слоя в p-слой, и наоборот, электроны из p-слоя в n-слой, т.е. происходит движение не основных носителей.

При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия, при котором i_др = i_диф.

2.3.3. ЭДП при прямом напряжении

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным полюсом – к полупроводнику n-типа (рис. 2.9).

Напряжение, полярность которого совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым.

Электрическое поле, создаваемое прямым напряжением, действуют навстречу полю, создаваемому контактной разностью потенциалов j_к. Вектор напряженности электрического поля Е_пр направлен встречно. Результирующее поле становится слабее, разность потенциалов уменьшается, уменьшается высота потенциального барьера, возрастает диффузионный ток, так как пониженный барьер может преодолеть большое число основных носителей.

Рис. 2.9. Потенциальная диаграмма p-n-перехода при приложении к нему прямого напряжения

Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как зависит от числа не основных носителей, которые попали за счет своих тепловых скоростей на p-n- переход из p- и n-областей.

Напряжение на переходе (j_к - u_пр), не учитывая падение напряжения на сопротивлениях самих p- и n-областей.

При прямом напряжении

i_др < i_диф,

i_пр= i_диф - i_др >0.

Если барьер значительно понижен, то

i_диф >> i_др,

i_пр @ i_диф.

Введение носителей заряда через пониженный потенциальный барьер в области, где эти носители являются не основными, называется инжекцией носителей заряда.

Область, из которой инжектируются заряды у полупроводникового прибора, называется эммитерной, в которой заряды инжектируются – базой.

При прямом напряжении не только уменьшается высота потенциального барьера, но и уменьшается толщина запирающего слоя L.

Если внешнее напряжение U_пр >> j_к, то потенциальный барьер можно уничтожить. Тогда прямое сопротивление R_пр p-n-перехода будет стремиться к нулю. Большой прямой ток можно получить при очень большом прямом напряжении. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть только от сопротивления p- и n-областей.

2.3.4. ЭДП при обратном напряжении

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к n-области, отрицательным – к p-области (рис. 2.10).

Под действием U_обр протекает небольшой ток I_обр.

Поле, создаваемое j_к, складывается с полем, образованным U_обр. Результирующее поле усиливается, увеличивается высота потенциального барьера (j_к + U_обр).

i_обр = i_др - i_диф

При небольшом повышении барьера диффузия прекратится, т.к. собственные скорости носителей малы для преодоления барьера:

i_диф = 0,

i_обр = i_др.

Ток проводимости остается неизменным и определяется числом не основных носителей, попадающих на p-n-переход из p- и n-областей.

Рис. 2.10. Потенциальная диаграмма p-n-перехода при приложении

к нему обратного напряжения

Выведение не основных носителей заряда через p-n-переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей зарядов. Обратный ток представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением не основных носителей.

2.3.4.1. Механизм установления обратного тока при включении

обратного напряжения

Сначала возникает переходный процесс, связанный с движением основных носителей, которые удаляются от ЭДП.

У отрицательного электрода дырки рекомбинируются электронами, которые приходят из проводника, соединяющего этот электрод с отрицательным полюсом источника.

Так как из n-области уходят электроны, она заряжается положительно, p-область заряжается отрицательно, так как ее дырки заполняются приходящими электронами. Толщина запорного слоя увеличивается.

Такое движение кратковременно, а ток подобен зарядному току конденсатора. Вся система представляет собой конденсатор с плохим диэлектриком, в котором есть ток утечки (его роль выполняет I_обр). Но ток утечки конденсатора в соответствие с законом Ома пропорционален приложенному напряжению, а обратный ток мало зависит от U_обр.

Изменение потенциального барьера, при подаче на него напряжения и изменения ширины ЭДП, часто называют “смещением перехода”.

3. Полупроводниковые диоды