Внешнего электрического поля

Наибольший практический интерес представляет случай, когда равновесие p-n перехода нарушается подачей внешнего напряжения.

Если внешнее напряжение приложено минусом к p области и плюсом к n области (рис. 18.5, а), то оно совпадает с контактной разностью потенциалов ∆j₀. Это приводит к увеличению результирующего поля в запирающем слое, увеличению сопротивления этого слоя и росту потенциального барьера до значения

∆φ₁ = ∆j₀ + U_обр. (18.8)

Диффузия основных носителей через p-n переход уменьшается, а при определенном значении U_обр может полностью прекратиться. Такое напряжение называется обратным. Обратным называют и включение p-n перехода. При обратном включении поле p-n перехода втягивает все подошедшие к нему собственные носители, и через переход протекает только обратный ток I_о. Так как число собственных носителей (дырок в n области и электронов в p области) мало, то величина обратного тока I_о значительно (на несколько порядков) меньше диффузионного и зависит только от температуры.

Если внешнее напряжение приложено плюсом к р области и минусом к n области (рис. 18.6, а), то оно направлено встречно контактной разности потенциалов ∆j₀, поэтому высота потенциального барьера уменьшается до значения ∆φ₂ = ∆φ₀ – U_пр (рис. 18.6, б). Такое напряжение называют прямым, а при подаче его на переход говорят, что переход включен (смещен) в прямом направлении.

В результате снижения контактной разности потенциалов в переходе запирающий слой обогащается подвижными носителями, сопротивление его уменьшается. Это приводит к увеличению диффузионного тока, причем, значение тока связано с напряжением на переходе экспоненциальной зависимостью

, (18.9)

где U – напряжение на p-n переходе.

Обратный ток по - прежнему не зависит от приложенного напряжения, определяется только количеством собственных носителей и протекает в противоположном направлении. Результирующий ток называется прямым током p-n перехода и определяется разностью диффузионного и обратного (дрейфового) токов:

. (18.10)

Таким образом, p-n переход обладает резко выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим. Чем больше прямое напряжение U_пр, прикладываемое к переходу, тем ниже потенциальный барьер, тем меньше сопротивление перехода, тем больше ток основных носителей через переход. Зависимость тока p-n перехода от приложенного напряжения называется вольт - амперной характеристикой. Вольт - амперная характеристика, построенная по (18.10), приведена на рис. 18.7. Так как тепловой потенциал φ_Т при температуре 300 К равен 25мВ, то уже при U = 0,1В можно считать, что

.

Предельное значение прямого напряжения не превышает контактной разности потенциалов ∆φ₀, т. е. измеряется долями вольта. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n перехода. Пробой возникает при достаточно большом (десятки вольт) обратном напряжении U_m за счет лавинного размножения собственных носителей и называется лавинным пробоем. Если ток лавинного пробоя не ограничен, то при некотором его значении I_{t пр} происходит тепловой пробой. Тепловой пробой разрушает p-n переход.

Вольт – амперная характеристика позволяет определить статическое сопротивление R_ст p-n перехода в любой заданной точке. Например, для точки А значение R_ст = U₁/I₁. Дифференциальное сопротивление R_диф можно определить, воспользовавшись выражением (18.10). Для этого сначала определим дифференциальную проводимость:

,

а затем сопротивление:

(18.11)

Полупроводниковый p-n переход обладает емкостью. Емкость перехода зависит от значения и полярности приложенного напряжения. При обратном напряжении емкость называется барьерной и определяется выражением

, (18.12)

где С(0) – значение емкости при U=0.

При прямом напряжении большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от прямого тока и времени жизни собственных носителей

(18.13)

График зависимости емкости p-n перехода от приложенного напряжения приведен на рис. 18.8.

Наличие емкости приводит к комплексному характеру сопротивления p-n перехода и к зависимости его параметров (в частности, прямого и обратного токов) от частоты.

5. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ТИПЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p –n переходом и двумя выводами для включения в схему. Условное графическое обозначение диода приведено на рис. 18.9, а. На рис. 18.9, б приведена структурная схема диода. Электрод диода, подключенный к p области называют анодом, а электрод, подключенный к n области, – катодом.

Для правильного выбора и применения диодов используют систему

количественных оценок их свойств – параметров. К числу основных параметров относятся

– максимально допустимый средний прямой ток;

– максимальный обратный ток;

– падение напряжения U_пр на диоде при некотором значении прямого тока;

– импульсное обратное напряжение и др.

Большое разнообразие диодов классифицируют по ряду признаков: по функциональному назначению, по конструкции p –n перехода, по технологии изготовления, по предельно допустимой мощности и частоте.

По функциональному назначению все диоды можно разделить на выпрямительные и специальные. В специальных диодах используются различные свойства p-n переходов: явление пробоя (стабилитроны), управляемую емкость перехода (варикапы и варакторы), фотоэффект (фотодиоды), фотонную рекомбинацию носителей зарядов (светодиоды) и др. Условные графические обозначения специальных диодов приведены на рис. 18.10.

В зависимости от частоты и формы применяемого напряжения диоды разделяют на низкочастотные, высокочастотные и импульсные.

По конструкции p-n перехода различают плоскостные и точечные диоды. У плоскостных диодов линейные размеры p-n перехода, определяяющие его площадь, значительно больше, а у точечных меньше длины свободного пробега носителей заряда. Плоскостные диоды используются для выпрямления больших токов, а точечные – малых. Для увеличения напряжения лавинного пробоя применяют выпрямительные столбы, представляющие ряд последовательно включенных диодов.

По технологии изготовления p –n перехода диоды разделяют на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Сплавные диоды применяют на низких частотах (до 5 кГц), диффузионные – на частотах до 100 кГц, эпитаксиальные – до нескольких МГц.

Особую группу образуют диоды с переходом металл-полупроводник. В месте контакта металла с полупроводником возникает обедненный носителями заряда слой полупроводника, который называют запорным. При обратной полярности внешнего напряжения обедненный слой расширяется, его сопротивление увеличивается, а ток через переход уменьшается. Следовательно, такой контакт металла с полупроводником обладает явно выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим. Выпрямляющие контакты металл-полупроводник называют переходами с барьером Шотки.

Важнейшей особенностью диодов с барьером Шотки является отсутствие инжекции собственных носителей. Это значит, что у них отсутствует диффузионная емкость, обусловленная накоплением и рассасыванием собственных носителей. Как следствие, существенно повышается быстродействие перехода при его переключениях с одного направления на другое. Поэтому рабочие частоты диодов с барьером Шотки лежат в пределах 3¸15 ГГц.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

18.1. Объясните движение носителей заряда с позиций квантовой механики. В чем заключается суть принципа Паули?

18.2. В чем принципиальное отличие между проводником и диэлектриком с точки зрения квантовой механики?

18.3. Почему вещества четвертой группы таблицы Менделеева называют полупроводниками?

18.4. Назовите отличительные признаки полупроводников и металлов.

18.5. Раскройте суть содержания терминов: генерация, регенерация, время жизни носителей заряда.

18.6. Чем отличаются полупроводники p и n типа?

18.7. Определите, во сколько раз концентрация примесных носителей заряда n_n больше концентрации собственных носителей n, если в полупроводник с плотностью атомов n₀ = 10²² см^-3 и шириной запрещенной зоны ∆ = 1,0 эВ введена примесь с параметрами С = 10¹⁵ см^-3, ∆′ = 0,16 эВ, а температура полупроводника Т = 275º К.

18.8. В сплавном германиевом p – n переходе плотность атомов германия n₀ = 4,4·10²² см^-3, концентрация акцепторной примеси p_p составляет одну стотысячную долю процента, а концентрация донорной примеси n_n в 1000 раз больше. Определите величину потенциального барьера ∆φ₀ при температуре Т = 300ºК, если плотность ионизированных атомов n_i = 2,5·10¹³ см^-3.

18.9. По условию задачи 18.8 определите величину потенциального барьера ∆φ₂, диффузионный и прямой ток, если p – n переход находится под прямым напряжением U_пр = 0,15 В, а обратный ток I₀ = 1 мкА.

18.10. Вычислите прямое напряжение на p – n переходе, если прямой ток перехода I = 1 мА, обратный I₀ = 1 мкА, а температура Т = 300ºК.

18.11. Почему диоды с барьером Шотки имеют высокие допустимые частоты?