ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 11030
Скачиваний: 27
56
2.
ДИОДЫ
2.1
Введение
Полупроводниковый диод представляет собой комбинацию
двух полупроводниковых слоев с различными типами проводи-
мости (рис. 2.1). Такая комбинация обладает способностью го-
раздо лучше пропускать ток в одном направлении (от слоя p к
слою
n
) и гораздо хуже в другом. Полярность напряжения, соот-
ветствующая большим токам, называется прямой, а соответст-
вующая меньшим токам — обратной. Обычно пользуются тер-
минами «прямое и обратное напряжение» (смещение), «прямой и
обратный токи».
Рис. 2.1 — Плоскостной диод:
а — упрощенная структура; б — условное
графическое обозначение
На рис. 2.1,
б
показаны символическое изображение диода,
направление прямого тока и полярность прямого напряжения.
Вентильное свойство диода является следствием ярко выражен-
ной внутренней неоднородности структуры. Ступенчатая неод-
нородность даже в полупроводниках с одним типом проводимо-
сти сопровождается нарушением закона Ома в связи с образова-
нием объемных зарядов и потенциального барьера. В данном слу-
чае, когда слои разнотипные, нелинейность, естественно, оказы-
вается еще сильнее. Несмотря на кажущуюся простоту, диод яв-
а
I
p
n
p–n пере-
б
p-n переход
57
ляется сложным прибором, так как имеет много областей, обла-
дающих различными физическими свойствами.
1. Области, прилегающие к границам металл-полупровод-
ник. Металл необходим для создания выводов.
2. Области, прилегающие к границе (металлургическая грани-
ца), образованной двумя полупроводниковыми материалами p и n.
3. Области полупроводников вдали от металлургической
границы.
Поверхность, по которой контактируют слои
р
и n, называ-
ется металлургической границей, а прилегающие к ней области
объемных (или пространственных) зарядов — электронно-
дырочным переходом или
р
-n
переходом. Два других внешних
контакта в диоде должны быть не выпрямляющие: поэтому их
называют омическими контактами.
Принципы получения омических контактов рассмотрим позже.
Плоскостными диодами и соответственно плоскостными
переходами называют такие диоды и переходы, у которых грани-
ца между слоями плоская, а площади обоих слоев одинаковы.
Эти условия не всегда соблюдаются на практике, но соблюдение
этих условий облегчает анализ и в то же время позволяет полу-
чить правильное представление о процессах в реальном диоде и
его характеристиках. Диоды — самостоятельный, весьма обшир-
ный класс полупроводниковых приборов. В то же время диод как
простейший прибор с одним
р
-n
переходом является основой
многопереходных приборов — транзисторов и других. Мы изу-
чим диоды именно с этой точки зрения.
В общих чертах процессы в полупроводниковом диоде
можно охарактеризовать следующим образом. В отсутствие
внешнего напряжения имеет место больцмановское равновесие:
вблизи металлургической границы, где сконцентрированы объ-
емные заряды и связанное с ними поле, диффузионные и дрейфо-
вые потоки носителей уравновешены и результирующего тока
нет. Полярность прямого напряжения способствует «выталкива-
нию» дырок из
р
-слоя в n-слой и электронов в обратном направ-
лении. В результате повышается концентрация дырок в n-слое и
концентрация электронов в
р
-слое, т.е. имеет место инжекция не-
основных носителей в обоих слоях диода. Инжектированные но-
сители диффундируют в глубь слоев, и эта монополярная диффу-
58
зия сопровождается протеканием прямого тока. Полярность об-
ратного напряжения способствует «выталкиванию» дырок из
n
-слоя и электронов из p-слоя в область перехода, т.е. имеет ме-
сто экстракция неосновных носителей и протекает соответст-
вующий обратный ток.
Диффузионный ток определяется граничной величиной из-
быточной концентрации неосновных носителей. Поскольку при
экстракции модуль избыточной концентрации не может превы-
шать весьма малого значения равновесной концентрации, а при
инжекции такого ограничения нет, прямой ток оказывается на-
много больше обратного, что и является основой вентильных
свойств диода.
2.2
Электронно
-
дырочный
переход
Плоскостной диод состоит из электронно-дырочного пере-
хода, двух нейтральных (или квазинейтральных) слоев и омиче-
ских контактов. Поскольку процессы в нейтральных полупровод-
никах были детально изучены в первой главе, следует, прежде
всего, рассмотреть процессы в
р
-n
переходе и учесть возможное
влияние нейтральных областей на характеристики и параметры
диодов.
Классификация р-n переходов
Прежде всего, заметим, что -
p n
переход нельзя осущест-
вить путем простого соприкосновения двух разнородных полу-
проводниковых пластинок, так как при этом неизбежен промежу-
точный (хотя бы и очень тонкий) слой воздуха или поверхност-
ных пленок. Настоящий переход получается в единой пластинке
полупроводника, в которой тем или иным способом получена
достаточно резкая граница между слоями
р
и n
. Резкость границы
играет принципиальную роль для образования перехода, так как
нерезкая граница приводит к образованию плавного перехода, а
как показывает теория, такой переход не обладает теми вентиль-
ными свойствами, которые требуются для работы полупроводни-
ковых диодов и транзисторов.
59
Понятие резкости формулируется следующим образом: гра-
ница между слоями является резкой, если градиент концентрации
примеси (считающийся постоянным в пределах перехода) удов-
летворяет неравенству
,
i
D
i
dN
l
n
dx
>>
(2.1)
где N — эффективная концентрация примеси,
di
l
— дебаевская
длина в собственном полупроводнике.
0
dN/dx
0
n
i
N
д
-
N
а
-
N
а
-
N
а
N
д
l
Di
l
Di
p
n
x
x
Рис. 2.2 — Распределение полных и эффективных
концентраций примеси вблизи металлургической
границы плавного перехода
Переходы, в которых имеется скачкообразное изменение
концентрации на границе слоев ( dN
dx
= ∞ ), будем называть сту-
пенчатыми. Они представляют собой предельный случай класса
резких переходов, в которых градиент концентрации примесей
конечен, но удовлетворяет неравенству (2.1). На практике сту-
пенчатые переходы являются, конечно, известным приближени-
ем. Однако они хорошо отражают свойства многих реальных
р
-n
60
структур и, кроме того, оказываются проще для анализа. Поэтому
ниже им будет уделено главное внимание.
Контакты, в которых условие (2.1) не соблюдается, не назы-
вают переходами, а относят к неоднородным полупроводникам.
По соотношению концентраций основных носителей в слоях
р
и
n
переходы делятся на симметричные и несимметричные. В сим-
метричных переходах имеет место соотношение
p
n
p
n
≈ , т.е. кон-
центрации основных носителей в обоих слоях почти одинаковы.
Такие переходы используются сравнительно редко и не яв-
ляются типичными. Гораздо большее распространение имеют не-
симметричные переходы, в которых выполняется неравенство
p
n
p
n
>> или
n
p
n
p
>>
(2.2)
и концентрации различаются в несколько раз. Именно такие пе-
реходы будут анализироваться в дальнейшем, причем для опре-
деленности считаем, что слой
р
более низкоомный, чем слои n,
т.е. p n
> .
Полученные выводы легко использовать при обратном со-
отношении концентраций. В случае резкой асимметрии, когда
концентрации основных носителей различаются более чем на по-
рядок, переходы называют односторонними и обычно обознача-
ют символами ( -
n p
+
или
-
n p
+
). Иногда, чтобы отличить несим-
метричные переходы от односторонних, используют для первых
обозначения
-
p n
+
(или
-
n p
+
), а для вторых
-
p
n
++
(или
-
n
p
++
).
Структура р-n перехода.
Концентрации примесей и сво-
бодных носителей в каждом из слоев диода показаны на рис. 2.3,
а
, причем для наглядности разница в концентрациях
p
p
и
n
n
при-
нята гораздо меньшей, чем это имеется в действительности.
Поскольку концентрация дырок в слое
р
значительно боль-
ше, чем в слое n, после соединения полупроводников часть дырок
диффундирует из слоя
р
в слой n. При этом в слое
n
вблизи ме-
таллургической границы окажутся избыточные дырки. Вследст-
вие диэлектрической релаксации избыточный заряд дырок будет
компенсирован электронами полупроводника n-типа. Наличие
разности концентраций дырок в полупроводнике n приведет к
образованию разности химических потенциалов и к возникнове-
нию диффузии.