Электронно- дырочный переход. Полупроводниковые диоды.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

 

Краткие сведения из зонной теории полупроводников. Зонная энергетическая диаграмма.

У проводников большое количество свободных электронов, у диэлектриков валентные электроны удерживаются ковалентными связями, у полупроводников структура как у диэлектриков, но ковалентные связи значительно слабее. Достаточно сравнительно небольшого количества энергии, получаемой из внешней среды (температура, освещенность, сильное электрическое поле), чтобы электроны полупроводника разорвали ковалентные связи и стали свободными.

Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, удерживаемого ковалентной связью, называется зоной валентности, или валентной зоной. Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, разорвавшего ковалентную связь и ставшего свободным, называется зоной проводимости. Графическое изображение этих энергетических зон называется зонной энергетической диаграммой (рис.2.2.1).

 

 

Рис.2.2.1. Энергетическая диаграмма полупроводника

 

Для того, чтобы электрон смог разорвать ковалентную связь и стать свободным, он должен получить энергию, большую ширины запрещённой зоны.

Электропроводность полупроводников. Собственная проводимость полупроводников.

Собственным полупроводником, или полупроводником i-типа называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решёткой.

Полупроводники Ge и Si 4-х валентны.

Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть определена следующим образом (рис.2.2.2).

 

Рис.2.2.2. Кристаллическая структура полупроводника

Если электрон получил энергию, большую ширины запрещённой зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой. В полупроводнике i-типа концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi. То есть ni=pi.

Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда. Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направления движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счёт собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.

 

Примесная проводимость полупроводников.

Так как у полупроводников i-типа проводимость мала и существенно зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются, в основном, примесные полупроводники.

Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остаётся слабосвязанным с атомом примеси и достаточно ему сообщить небольшую энергию (значительно меньшую, чем ширина запрещенной зоны), чтобы он стал свободным. За счёт этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок. Примесь, за счёт которой концентрация электронов много больше концентрации дырок, называется донорной примесью. Такой полупроводник называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n-типа.

В полупроводнике n-типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

При введении трёхвалентной примеси три её валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвёртая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов и, соответственно, полупроводник будет называться полупроводником р-типа.

 

Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках.

 

Дрейфовый ток в полупроводнике – это ток, возникающий за счёт приложенного электрического поля. При этом электроны движутся навстречу линиям напряжённости поля, а дырки по направлению линий напряжённости поля. Диффузионный ток – это ток, возникающий из-за неравномерной концентрации носителей заряда.

 

Образование электронно-дырочного перехода.

 

Электронно-дырочный (р-n) переход – это область раздела двух полупроводников с различным типом проводимости.Электронно-дырочный (р-n) переход составляет основу большинства типов полупроводниковых приборов (ППП) - диодов, транзисторов.

Ввиду неравномерной концентрации носителей на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счёт которого электроны из n-области переходят в p-область, а на их месте остаются нескомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p область, рекомбинируют с дырками, и возникают нескомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина p-n перехода –мала. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела. Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряжённости электрического поля – на границе раздела (рис.2.2.3).

 

Рис.2.2.3. Образование электронно-дырочного перехода

Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на p-n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером. Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть p-n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.

 

Прямое и обратное включение p-n перехода.

 

Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области (рис.2.2.4). Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.

 

Рис.2.2.4. Прямое и обратное включение p-n перехода

 

Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область,а плюсом на n-область (рис.2.2.4), то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода называется обратным.

Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что p-n переход проводит ток только в одну сторону. Это свойство лежит в основе применения в станциях помех выпрямительных, детекторных диодов.

 

Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов.

Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода.

Классификация диодов производится по следующим признакам.

1]По конструкции:

плоскостные диоды; точечные диоды; микросплавные диоды.

2]По мощности: маломощные; средней мощности; мощные.

3]По частоте:низкочастотные; высокочастотные; СВЧ.

4]По функциональному назначению: выпрямительные диоды; импульсные диоды; стабилитроны; варикапы; светодиоды; туннельные диоды и так далее.

Условные графические обозначения (УГО) диодов приведены на рис.2.2.5 (а- выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ диоды, диоды Ганна; б- стабилитроны; в- варикапы; г- туннельные диоды; д- диоды Шоттки; е- светодиоды; ж- фотодиоды; з- выпрямительные блоки).

 

Рис.2.2.5. Условные графические обозначения диодов

 

Конструкция полупроводниковых диодов.

Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой диода (рис.2.2.6). База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости и p-n переход большой плоскости (отсюда название).

Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом

 

Рис.2.2.6. Конструкция полупроводникового диода

Вольт - амперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов.

 

Рис.2.2.7. ВАХ идеального и реального переходов

Вольт - амперная характеристика реального диода (рис.2.2.7) проходит ниже, чем у идеального p-n перехода: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Uа потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем. Кривая обратного тока ВАХ имеет наклон, так как за счёт возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носителей заряда.

 

Рис.2.2.8. ВАХ диода и его параметры

Основные параметры (рис.2.2.8): максимально допустимый прямой ток Iпр.max; прямое падение напряжения на диоде при максимальном прямом токе Uпр.max;

максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max ;обратный ток при максимально допустимом обратном напряжении Iобр.max ;прямое и обратное статическое сопротивление диода при заданных прямом и обратном напряжениях.

 

Стабилитроны.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения. Стабилизация – поддержание какого-то уровня неизменным. Применение – во вторичных источниках питания аппаратуры РЭБ. По конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремниевые. Принцип действия стабилитрона основан на том, что на его вольтамперной характеристике имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока (рис.2.2.9).

 

Рис.2.2.9. ВАХ стабилитрона

Таким участком является участок электрического пробоя, а за счёт легирующих добавок в полупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой. Так как участок электрического пробоя имеет место при обратном напряжении, то стабилитрон включается обратным включением (рис.2.2.13)

 

Рис.2.2.10. Схема включения стабилитрона

Резистор Ro задаёт ток через стабилитрон таким образом, чтобы величина тока была близка к среднему значению между Iст.min и Iст.max. Такое значение тока называется номинальным током стабилизации.

 

Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, у которого в качестве основного параметра используется барьерная ёмкость, величина которой варьируется при изменении обратного напряжения. Следовательно, варикап применяется как конденсатор переменной ёмкости, управляемый напряжением.

 

 

Рис.2.2.11. Образование барьерной емкости

Принцип действия. Если к p-n переходу приложить обратное напряжение, то ширина потенциального барьера увеличивается (рис.2.2.11).

 

Cб =

 

При подключении обратного напряжения ширина перехода ΔХ увеличивается, следовательно, барьерная ёмкость будет уменьшаться. Основной характеристикой варикапов является вольт - фарадная характеристика С = f (Uобр) (рис.2.2.12).

Основные параметры варикапов.

1.Максимальное, минимальное и номинальное значение ёмкости варикапа.

2.Коэффициент перекрытия

K = Cmax/ Cmin - отношение максимальной ёмкости к минимальной.

3.Максимальное рабочее напряжение варикапа.

 

Рис.2.2.12. Вольт- фарадная характеристика варикапа