Электронно-дырочный переход и его свойства

Полупроводниковые диоды

Электронно-дырочным пере­ходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая —дырочную электропроводность.

Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть раз­личным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диф­фузионные диоды), эпитаксия — ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные перехо­ды могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоско­стными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 2.1а. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную прово­димость (N-область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (Р-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Электроны в N-области стремятся проникнуть в Р-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р-области перемещаются в N-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возни­кает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через гра­ницу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препят­ствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и Р-областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе при­ведено на рис. 2.1 б.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное элект­рическое поле E_собств, направление которого показано на рис. 2.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное из­менение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов N- и Р-областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

где j_T = kT/q— тепловой потенциал,

N_n и Р_р — концентрации электронов и ды­рок n - и p - областях,

n_i, — концентра­ция носителей зарядов в нелегирован­ном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6... 0,7 В, а для кремния — 0,9... 1,2 В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложени­ем внешнего напряжения к р-п-переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, кото­рое совпадает с внутренним, то вы­сота потенциального барьера увели­чивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшает­ся.

Рис. 2.1. Резкий р-n- переход и распределение объемного заряда в нем

Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает пол­ностью

Вольт-амперная характеристика p-n -перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности приложенного напряжения. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его — обратным.

Приложение прямого и обратного напряжения к p-n-переходу показано на рис. 2.2.

Обратный ток в p-n-переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попа­дают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентра­ция основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей прак­тически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, об­ратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенци­ального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряже­ния на переходе.

Этот ток называется током насыщения и обозначается

I_обр= I_S.

При прямом смещении р-n-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер.

Пройдя p-n-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителя­ми. Концентрация неосновных носителей при этом может су­щественно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Та­кое явление носит название инжекции носителей.

Таким образом, при проте­кании прямого тока через пере­ход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из ды­рочной области будет происхо­дить инжекция дырок. Диффузи­онный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивает­ся экспоненциально:

где U — напряжение на p-n-переходе.

Рис 2 Приложение обратного (а) и прямого (б) напряжений к р-n-переходу

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, про­текающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока (2.2) и тока проводимости:

Уравнение (2.3) называется уравнением Эберса — Молла, а соответствующая ему вольт-амперная характеристика р-n-перехода приведена на рис. 2.3. Поскольку при T=300К тепловой потенциал j_т=25мВ, то уже при U = 0,1 В можно считать, что

Дифференциальное сопротивление p-n-перехода можно определить, воспользовав­шись формулой (2.3):

откуда получаем

Так, например, при токе I = 1А и j_Т = 25 мВ дифференциальное сопротивление пере­хода равно 25 мОм.

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной разно­сти потенциалов y_к. Обрат­ное напряжение ограничива­ется пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возни­кает за счет лавинного раз­множения неосновных носи­телей и называется лавинным пробоем. При лавинном про­бое p-n-перехода ток через переход ограничивается лишь сопротивлением питающей р-п-переход электрической цепи (рис. 2.3).

Полупроводниковый р-п-переход, имеет емкость, ко­торая в общем случае опре­деляется как отношение при­ращения заряда на переходе к приращению падения на­пряжения на нем, т. е.

C=dq/du.

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной и оп­ределяется по формуле

где y_К — контактная разность потен­циалов,

U — обратное напряжение на переходе,

С_6ар(0) — значение барьерной емкости при U=0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полу­проводникового кристалла.

Зависи­мость барьерной емкости от приложен­ного напряжения приведена на рис. 2.4. Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n-переходе, однако она шунтиру­ется низким дифференциальным со­противлением r_диф.

Рис. 2.4 Зависимость барьерной емкости от напряжения на p-n-переходе

При прямом смеще­нии p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямо­го тока I и времени жизни неосновных носителей t_р. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости можно определить по формуле

Полная емкость перехода при прямом смещении определяется суммой барьер­ной и диффузионной емкостей

При обратном смещении перехода диффузионная емкость отсуствует и полная емкость состоит только из барьерной емкости.

Полупроводниковым диодомназывают прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) p-n-переходов. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямитель­ные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления пе­ременного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства р-n-переходов; явле­ние пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивле­нием и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади ^-л-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материа­лом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металли­ческой подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до не­скольких МГц.

При большом токе через p-n-переход значительное напряжение падает в объе­ме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом выражения (2.4) вольт-амперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид

где R — сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называ­ют последовательным сопротивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 2.5 а, а его структура на рис. 2.5 б. Электрод диода_у подключенный к области Р, называют анодом (по анологии с электровакуумным диодом), а электрод, под­ключенный к области N, — катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 2.5 в.

Рис. 2.5. Условное обозначение полупроводникового диода (а), его структура (б) и вольт-амперная характеристика (в)

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

- падение напряжения U_np на диоде при некотором значении прямого тока;

- обратный ток I_о6р при некотором значении обратного напряжения;

- среднее значение прямого тока I_{пр ср};

- импульсное обратное напряжение U_о6ри.

- К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

- время восстановления t_вос обратного напряжения;

- время нарастания прямого тока I_нар;

- предельная частота без снижения режимов диода f_max.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристи­ке диода, которая приведена на рис. 2.5 в. Типовые значения статических парамет­ров силовых диодов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Статические параметры силовых выпрямительных диодов

Тип диода	Технология изготовления	Iобр. мА (при UoSp, В)	С/пр. В (при /цр, А)
Д247	сплавной	3,0		1,5
КД213	диффузионный	0,2		1,0
КД2998	эпитаксиальный с барьером Шотки	20,0		0,6

Время обратного восстановления диода t_вост является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно опре­деляется при переключении диода с заданного прямого тока I_пр на заданное об­ратное напряжение U_о6р. Графики такого переключения приведены на рис. 26 б. Схема испытания, приведенная на рис. 26 б, представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку R_H и питаемый от источ­ника напряжения прямоугольный формы.

Напряжение на входе схемы в момент времени ?=0 скачком приобретает положительное значение U_m. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени t_m. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после 4а_Р становится равным £/_вр. В момент времени t_t в цепи устанавливается стационар­ный режим, при котором ток диода i=I_s~U_m/R_B.

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t₂, когда поляр­ность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе ^-и-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на прбишополож-ное. По существу, происходит рассасывание зарядов на гранйке5'₍рчмгерехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывания /,,„

начинается процесс выключения диода, т. е. процесс восстановления его запираю­щих свойств,

К моменту времени <₃ напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальней­шем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени и, после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным 1^, а напряжение достигает значения -U_m. Таким образом, время t^ можно отсчитывать от перехода U_a через нуль до дости­жения током диода значения 1^.

Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода пока­зывает, что он не является идеальным вентилем и в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Время рассасывания неосновных носителей в /?-и-переходе можно определить по формуле

где х_р — время жизни неосновных носителей.

Время восстановления обратного напряжения на диоде можно оценить по приближенному выражению

Следует отметить, что при R_a=0 (что соответствует работе диода на емкостную нагрузку) обратный ток через диод в момент его запирания может во много раз превы­шать ток нагрузки в стационарном режиме.

Из рассмотрения графиков рис. 2.6 а следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и, особенно, при выключении. Следова­тельно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямленного напряже­ния. При работе диода на низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют и потери в диоде резко снижаются.

При изменении температуры корпуса диода изменяются его параметры. Эта зави­симость должна учитываться при разработке аппаратуры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Температурный коэф­фициент напряжения (ТКН) на диоде имеет отрицательное значение, так как при уве­личении температуры напряжение на диоде уменьшается. Приближенно можно счи­тать, что ТКН U_up=-2mB/K.

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10°С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых — 2,5 раза.

Потери в выпрямительных диодах можно рассчитывать по формуле

где Р_11р — потери в диоде при прямом направлении тока, Р^ — потери в диоде при обратном токе, Р,_к — потери в диоде на этапе обратного восстановления.

Рис. 2 6 Графики процессов отпирания и запирания диода (а) и схема испытания (б)

Приближенное значение потерь в прямом направлении можно рассчитать по фор­муле

где /„pep и {/„pq, — средние значения прямого тока и прямого напряжения на диоде. Аналогично можно рассчитать потери мощности при обратном токе:

И, наконец,' потери на этапе обратного восстановления определяются по формуле

где/'— Частота "переменного напряжения.

После расчета мощности потерь в диоде следует определить температуру корпуса диода по формуле

где Г_пмакс= 150°С — максимально допустимая температура кристалла диода, R_nK — теп­ловое сопротивление переход-корпус диода (приводится в справочных данных на диод), Г_{к макс} — максимально допустимая температура корпуса диода.

Диоды с барьером Шотки Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо р-и-перехода используется контакт металлической поверхности с полу­проводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с р-я-перехОдом по следующим параметрам:

• более низкое прямое падение напряжения;

• имеют более низкое обратное напряжение;

• более высокий ток утечки;

• почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проекти­ровании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих времени на обратное восстановле­ние, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150В. При этом напряжении прямое напряжение ДШ меньше прямого напряжения диодов с р-и-переходом на 0,2...0,3В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямле­нии малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4...0,6В, а при том же токе диод с />-л-переходом имеет падение напряжения 0,5...1,0В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3...0,4В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10...15%. Максимальная рабочая частота ДШ превышает 200 кГц при токе до 30 А.