Основы физики полупроводниковых диодов

Тема 1 – Основы физики полупроводниковых диодов

§1.1 электрофизические свойства полупроводников

В полупроводниках удельное электрическое сопротивление принято измерять для 1см³ материала.

      Характерной особенностью полупроводников является сильная зависимость удельного электрического сопротивления от воздействия полей, изменения температуры, ионизированного излучения. Это связано с тем, что ширина запрещённой зоны от 0.5 до 3 эВ /зона проводимости и запрещённая зона перекрываются/.

      Наиболее распространёнными материалами являются: германий, кремний, арсенид галлия /Ge, Si, GaAs/. У германия ширина запрещённой зоны – 0.72 эВ, у кремния – 1.12 эВ, а у арсенида галлия – 1.43 эВ. У германия максимальная рабочая температура 75°C, а у кремния 125°C.

В кристаллическом твёрдом теле существуют квазинепрерывные зоны разрешённых значений энергии электронов. Верхняя разрешённая зона, которая при температуре абсолютного нуля /=0К/ целиком заполнена электронами, называется валентной. Расположенная над ней следующая разрешённая зона, которая при температуре абсолютного нуля пуста или частично заполнена электронами, называется зоной проводимости.

Чем меньше ширина запрещённой зоны, тем ниже рабочая температура. Кристаллическая решётка Si – тетраэдр.

При T=0K все электроны связаны и проводимость полупроводника равна 0. Незаполненная связь – это дырка.

Рекомендуемые материалы

Процесс возникновения пары носителей называется генерацией пары носителей.

Процесс исчезновения пары носителей называется рекомбинацией пары носителей.

В беспримесном полупроводнике /собственном/ концентрация электронов и дырок совпадает.

Энергия может высвобождаться в виде тепла, либо в виде электромагнитного излучения. Чем выше энергия, тем больше частота.

-ширина запрещённой зоны

Уровень Ферми – уровень, вероятность заполнения которого равна ½.

Различают электронную и дырочную составляющую тока и проводимости: n-типа и p-типа.

Удельная проводимость:

Подвижность - средняя скорость движения заряда в электрическом поле единичной напряжённости. Как правило, .

Примесные полупроводники – часть атомов основного материала замещена атомами другого материала.

Легирование – процесс введения примесей в полупроводник. Для легирования используется 3-х валентные бор, алюминий, индий, галлий и 5-и валентные сурьма, мышьяк, фосфор.

Рассмотрим кристаллическую решётку кремния, легированного фосфором.

=0.044эВ – энергия, чтобы ионизировать атом примеси /энергия активации/.

      В таком полупроводнике концентрация электронов будет выше, чем концентрация дырок. Примесь, сообщающую полупроводнику электронный характер проводимости, называют донорной.

Носители заряда с большой концентрацией называют основными носителями заряда.

      Чем выше степень легирования, тем выше будет располагаться уровень Ферми.

Полупроводники, у которых уровень Ферми располагается в зоне проводимости, называются вырожденными полупроводниками.

      С ростом температуры уровень Ферми будет стремиться к середине запрещённой зоны.

Рассмотрим примесный полупроводник, в котором часть атомов основного материала /в данном случае кремния/ заменена атомами 3-х валентного индия.

      Будет дырка.

Какова концентрация примесей, такова и концентрация дырок. Дырок будет больше на количество атомов, введённых в материал.

Такой полупроводник называют дырочным /или p-типа/.

Примесь, сообщающую полупроводнику дырочный характер проводимости называют акцепторной.

Для данного примера /Si, In/ =0.16эВ. Уровень Ферми располагается ниже середины запрещённой зоны.

Чем выше степень легирования, тем ниже уровень Ферми. Тогда в вырожденных полупроводниках p-типа W_F – в валентной зоне.

§1.2 электронно-дырочный переход в равновесном состоянии

       Электронно-дырочный /p-n/ переход – электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную проводимость, а другая – дырочную.

      Различают гомогенные и гетерогенные переходы:

1) Гомогенный – этот переход между полупроводниками с одинаковой шириной запрещённой зоны.

2) Гетерогенный – это переход между полупроводниками с разной шириной запрещённой зоны.

Электронно-дырочный переход называют симметричным, если концентрация основных носителей в обеих областях полупроводника одинакова, иначе называют несимметричным.

В несимметричных p-n переходах область полупроводника, имеющая большую концентрацию основных носителей, называется эмиттером, а с меньшей – базой.

Равновесие соответствует нулевому внешнему напряжению на переходе.

Поскольку концентрация электронов в n-области значительно больше, чем в p-области, часть электронов диффундирует из n-области в p-область. При этом в p-области окажутся избыточные электроны, большая часть из которых находится вблизи металлургической границы. Электроны будут рекомбинировать с дырками. Соответственно будет уменьшаться концентрация дырок и обнажатся нескомпенсированные отрицательные заряды акцепторных ионов. С другой стороны, от металлургической границы /n-области/ из-за ухода электронов обнажатся нескомпенсированные положительные заряды донорных ионов.

Аналогичные рассуждения можно провести для дырок, которые диффундируют из p-области в n-область. Вблизи металлургической границы по обе стороны её образуется слой с пониженной концентрацией подвижных носителей – обеднённый слой. Существующие в нём объёмные заряды ионов примесей и связанное с ними электрическое поле препятствует диффузии носителей и обеспечивают состояние равновесия, при котором ток через переход равен 0, т.е. напряжённость внутреннего электрического поля нарастает до тех пор, пока вызванное им дрейфовое движение носителей не уравновесит встречное диффузионное движение, обусловленное градиентами концентрации электронов и дырок. Электрическое поле обусловливает внутреннюю /контактную/ разность потенциалов  между n- и p-областями, т.е. потенциальный барьер.

§1.3 электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии

Если к p-n-переходу подключить источник напряжения, то равновесное состояние нарушается – в цепи потечёт ток. Т.к. сопротивление обеднённого слоя значительно превышает сопротивление нейтральных областей, тот при малом токе внешнее напряжение  практически полностью прикладывается к обеднённому слою. Под действием этого напряжения изменяется высота потенциального барьера .

Приложим “+” к p-области и “-” к n-области. Произойдёт следующее:

1) Высота потенциального барьера уменьшится на величину приложенного напряжения, т.к. электрическое поле, создаваемое внешним источником направлено против внутреннего электрического поля, т.е. напряжённости полей будут вычитаться.

2) Толщина обеднённого слоя уменьшится /вследствие смещения основных носителей к обеднённому слою/. Такую полярность приложенного напряжения, при которой высота потенциального барьера уменьшается, называется прямой полярностью.

3) Через p-n-переход будет протекать некоторый ток. Такой ток // при прямой полярности называют прямым током. При такой полярности говорят, что переход смещён в прямом направлении.

Рассмотрим распределение дырок в базе при таком напряжении:

Диффузионная длина носителей зарядов – расстояние, на котором избыточная концентрация носителей в полупроводнике уменьшается в  раз.

      Процесс введения носителей заряда в область полупроводника, где они не являются основными, называется инжекцией.

В несимметричных p-n-переходах преобладает инжекция из эмиттера в базу.

Отношение тока носителей инжектированных в базу к полному току через переход называется коэффициентом инжекции.

, где - ток дырок

Приложим “-” к p-области и “+” к n-области. Произойдёт следующее:

1) Высота потенциального барьера увеличится на величину приложенного напряжения.

2) Толщина обедённого слоя увеличится, вследствие оттягивания основных носителей тока от границ p-n-перехода. Такую полярность приложенного напряжения, при которой высота потенциального барьера увеличивается, называется обратной полярностью.

Обратный ток при такой полярности обусловлен неосновными носителями, для которых поле в переходе является ускоряющим. Обратный ток будет много меньше прямого тока //. Обратный ток практически не зависит от приложенного напряжения, т.к. уже при небольших напряжениях все имеющиеся неосновные носители вовлекаются в образование  тока и дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока. Под воздействием термогенерации внутри p-n-перехода образуются пара носителей, которые будут перемещаться в те области, где они будут основными, этот процесс называется экстракцией.

§1.4 ВАХ /вольт амперная характеристика/ p-n-перехода

       Под ВАХ будем понимать зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения.

 - уравнение Шокли, где - температурный потенциал

При изменении прямого напряжения на 60мВ ток меняется на порядок.

      Тепловой ток – это ток, вызванный термогенерацией в областях полупроводника, прилегающих к границам p-n-перехода на две-три длины диффузии.

      Выразим  из уравнения Шокли: , т.е. можно оценить дифференциальное сопротивление p-n-перехода: . При прямом смещении . Если через p-n-переход протекает =1мА, то =26 Ом. При ,

Вентиль – это элемент, который пропускает ток в одном направлении.

Явление уменьшения сопротивления базы при увеличении уровня инжекции называется эффектом модуляции сопротивления базы.

      В результате получаем уравнение Шокли: , где -коэффициент коррекции.

Для реальных p-n-переходов . Для нахождения  необходимо измерить напряжение при двух разных значениях тока.

Рост тока с увеличением температуры объясняется тем, что уровень Ферми при увеличении температуры стремится к середине запрещённой зонывысота потенциального барьера уменьшаетсяток через p-n-переход увеличивается.

В реальных p-n-переходах обратный ток имеет 3 составляющих:

1) Тепловой ток

2) Ток термогенерации /ток носителей, возникающих в обеднённом слое полупроводника под воздействием температуры/

3) Ток утечки /ток в обход p-n-перехода, обусловлен наличием различных проводящих плёнок, шунтирующих p-n-переход/

      В реальных p-n-переходах наблюдается явление пробоя, под которым понимают резкое увеличение обратного тока.

Различают три вида пробоя:

1) Тепловой

2) Лавинный

3) Туннельный

[1] Тепловой пробой обусловлен нагреванием p-n-перехода при протекании по нему обратного тока. Тепловой пробой необратим.

[2] Лавинный пробой возникает в p-n-переходах при невысокой степени легирования, когда на длине свободного пробега носители успевают приобрести энергию достаточную для ионизации нейтрального атома. Лавинный пробой обратим, если не перешёл в тепловой.

[3] Туннельный пробой наблюдается в p-n-переходах, образованных вырожденными полупроводниками /сильно легированный проводник/. С ростом температуры уменьшается напряжения пробоя.

§1.5 ёмкость p-n-перехода

Изменение напряжения на p-n-переходе приводит к перераспределению заряда на нём, а значит p-n-переход имеет ёмкость. Ёмкость p-n-перехода принято делить на две составляющие:

1) Барьерная ёмкость

2) Диффузионная ёмкость

[1] Барьерная ёмкость - ёмкость конденсатора, обкладками которого являются p и n области, а диэлектриком – обеднённый слой.

; ;

Барьерная ёмкость является преобладающей при обратных и небольших положительных напряжениях. Барьерная ёмкость имеет высокую добротность, поскольку дифференциальное сопротивление велико. На практике барьерная ёмкость бывает от долей пкФ до сотен пкФ.

      Варикап – переменная ёмкость, на основе p-n-перехода.

Барьерная ёмкость не зависит от частоты, вплоть до 10¹² Гц. Барьерная ёмкость слабо увеличивается с ростом температуры из-за снижения высоты потенциального барьера.

[2] Диффузионная ёмкость обусловлена неравновесными /неосновными/ носителями в базе.

      Формула справедлива на низких частотах. На более высоких частотах диффузионная ёмкость стремится к 0. Ёмкость может достигать значений в несколько мкФ. Однако влияние диффузионной ёмкости на быстродействие p-n-перехода не увеличивается во столько же раз.

§1.6 контакты металла с полупроводником

      Физические явления в контакте металла с полупроводником определяются соотношением работ выхода электрона из металла и проводника. Если металл привести в соприкосновение с полупроводником, то электрон будет переходить из материала с меньшей работой выхода к материалу с большей работой выхода, что приведёт к возникновению контактной разности потенциалов.

Рекомендация для Вас - 7 Имплементация международного права.

(2) и (3) подчиняются законам Ома /омические контакты – такие контакты находят применение в полупроводниках для подведения металлических выводов к области полупроводника/. ВАХ (1) и (4) нелинейна и описываются уравнением Шокли. Переход (1)-(4) – переход Шотки. (1), (4) ведут себя подобно p-n-переходу. В переходе Шотки отсутствует диффузионная ёмкость. Переход Шотки будет более быстродействующим по сравнению с p-n-переходом.

Отличие ВАХ Шотки от p-n:

1) Обратный ток перехода Шотки больше, чем у p-n-перехода

2) Прямое падение напряжения на переходе Шотки на 0,2-0,4 В меньше

3) ВАХ перехода Шотки подчиняется уравнению Шокли в очень широком диапазоне /с очень высокой точностью/ токов: 1мА – 10мА