Герасимов В.Г. (ред). - Электрические измерения и основы электроники (1998), страница 12

Введение атомов примеси элементов 111 группы (например, индия) создает дыронную электропроводность, в результате чего образуется полупроводник р-типа, здесь дырки — основные носители заряда, а электроны — неосновные. Примеси элементов У группы называют донорными, а примеси элементов 111 группы — акцепторными. На практике важное значение имеет область на границе соприкосновения двух полупроводников р- и п-типа.

Эта область называется электронно-дырочныи переходом, или р-и -переходом. Такой р-и-переход получа- дением в примесный полупроводник дополнительной примеси. Напют вве ер пРИ ввеДении ДоноРной пРимеси в опРеДеленнУю часть полУпРоример, водНН „нка р-типа в нем образуется область полупроводника п-типа, гранича „чащая с полупроводником Р-типа.

На основе использования полупроводниковых материалов с различ,и типом электропроводности создают полупроводниковые диоды, анзисторы, тиристоры и другие приборы. В частности, из полупроводника, равномерно легированного примесями, изготавливают полупроводниковые резисторы. В зависимости от типа примесей и конструк„ни получают линейные резисторы, сопротивление которых остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов, либо резисторы, сопротивление которых зависит от таких управляющих параметров, как напряжение (варисторы), температура (терморезисторы), освещенность (фоторезисторы), механические деформации (тензорезисторы), магнитное поле (магниторезисторы) и др. 22.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ Полупроводниковьы диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-и-переходом и двумя выводами. В основе работы полупроводникового диода лежат электрические свойства р-п-перехода, который создается технологически при изготовлении диода. Рассмотрим схематически образование р-л-перехода при соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности (рис. 2.1). До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно (см.рис. 2.1,а).

Прн соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника и-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа, В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением, — так называемый запирающий слой (см.рис.2.1.б), толШина! которого обычно не превышает нескольких микрометров. роны узап ~й~ Ф в) б5 Р П а) б) Рнс.2.! Образование р-н-перехода Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донарных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (патенциальный барьер) Лу на границе полупроводников (см.рис.2.1,в).

Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле, препятствующее как переходу электронов из полупроводника и-типа в полупроводник р-типа, так и переходу дырок из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа. В то же время электроны могут свободно двигаться из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа, точно так же как дырки из полупроводника и-типа в полупроводник р-типа. Таким образам, контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. Однако при движении через р-и-переход неосновных носителей заряда (так называемый дрейфавый ток 1 обусловленный градиентом электрического поля) происходит снижение контактной разности потенциалов Лук, что позволяет некоторой части основных носителей заряда, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер, обусловленный контактной разностью потенциалов Лук.

Появляется диффузионный ток 1 „, обусловленный градиентом концентрации, который направлен йавстречу дрейфавому току 1 . Таким образам устанавливается динамическое равновесие, при котором 1д =1д <1г Если к р-п-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле Е,„в направлении, противоположном полю двойного электрического слоя (рис.2.2,а), то толщина запирающего слоя уменьшится и при напряжении 0,3 — 0,5 В запирающий слой исчезнет. Сопротивление р-и-перехода существенно уменьшится и ток резко возрастет. Ток при этом называют прямым, а р-п-переход — открытым, или смеи~енпым в прямом поправлении. Если же к р-и-переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Е „, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Е„,„(рис.2.2,б), та это приведет лишь к расширению запирающего слоя, так как отведет от контактной зоны как положительные, так и отрицательные носители заряда (дырки и электроны).

Евн р — ' — "-э Л р л Рис.2.2 Электронно-дырочный переход во внешнем электрическом поле: а —- к р-л-переходу приложено прямое напряжение, б — к р-л-переходу приложено обратное напряжение бб Рис.2.3. Вольт-ампервая характерис- тика полупроводникового диола 1 вя,мчА При этом электрическое сопротивление р-и-перехода велико и даже при относительно высоком напряжении ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда через переход, незначителен. В этом случае ток называют обратным, а р-и-переход — закрытым, или смещенным в обратном наиравлениц. На рис.2.3 показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода.

Видимый излом ВАХ в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадрантах графика, При увеличении приложенного к диоду внешнего напряжения в прямом направлении ('„~ после исчезновения запирающего слоя ток резко возрастает и определяется только сопротивлением полупроводника, Увеличение же обратного напряжения Гоар практически не влияет на обратный ток, который очень мал и обусловлен лишь движением неасновных носителей заряда. Однако при относительно высоких обратных напряжениях происходит пробой р-и-перехода и обратный ток резко возрастает. Это связано с тем, что при движении через р-и-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника.

В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда — электронов и дырок, что приводит к резкому увеличению обратного тока через р-и-переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот пробой называют лавинным. Различают электрический и тепловой лавинный пробой. Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, чта первоначальные свойства р-и-перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение на диоде. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах, На рис.2.3 этот пробой характеризуется ниспадающей частью обратной ветви ВАХ полупроводникового диода. Однако при недостаточном отводе тепла, вызванного относительно бо ольшим обратным током, р-и-переход разогревается. В результате этого усиливается процесс генерации электронна-дырочных пар, что приводит 67 к дальнейшему увеличению тока и температуры и в итоге к необратимому разрушению р-и-перехода Такой пробой называют тепловым, он может наступить как следствие электрического пробоя.

закрытый р-и-переход обладает элскп~рическои емкостьк>, значение которой зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя При увеличении обратного напряжения ширина р-и-перехода возрастает, и емкость р-п-перехода уменьшается, Определенный интерес представляет переход на основе контакта металл — полупроводник (переход Шоттки) Прн контакте специально подобранных металла и полупроводника, например р-тнпа, в отсутствие внешнего электрического поля свободные электроны металла переходят в полупроводник.

В результатс рекомбинации части электронов с дырками полупроводника в приграничном слое образуется электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу электронов Обедненный основными носителями заряда (дырками) приконтактный слой полупроводника обладает повышенным удельным электрическим сопротивлением Приложение к переходу внешнего прямого напряжения (минусом к металлу) уменьшает напряженность электрического поля вблизи контакта и в результате перемещения электронов из металла в полупроводник во зникает прямой электрический ток. Прямое напряжение такого перехода будет почти в 3 раза меньше прямого напряжения обычного р-пперехода Приложенное обратное напряжсние, н;шротнв, увеличит напряженность электрического поля в переходе, и удельное электрическое сопротивление приконтактной области полупроводника значительно увеличится В цепи будет существовать чрезвычаино малый (порядка !() 8 + 1(Г9 А) обратный ток.