Kada se pn spoj koristi u pravim poluvodičkim uređajima, na njega se može primijeniti vanjski napon. Veličina i polaritet ovog napona određuju ponašanje spoja i električne struje koja prolazi kroz njega. Ako je pozitivni pol napajanja priključen na str-region, a negativan – do n-područje, zatim uključivanje p-n-prijelaz se naziva direktnim. Prilikom promjene navedenog polariteta, uključivanje p-n-prijelaz se naziva inverznim.
Kada je direktno povezan p-n-prijelaza, vanjski napon stvara polje u spoju koje je suprotno smjeru od unutrašnjeg difuzijskog polja, slika 2. Jačina rezultujućeg polja opada, što je praćeno sužavanjem blokirajućeg sloja. Kao rezultat toga, veliki broj većinskih nosilaca naboja može difuzno da se kreće u susjedno područje (struja drifta se ne mijenja, jer zavisi od broja manjinskih nosilaca koji se pojavljuju na granicama tranzicije), tj. rezultujuća struja će teći kroz spoj, determinisana uglavnom difuzionom komponentom. Difuzijska struja ovisi o visini potencijalne barijere i raste eksponencijalno kako se smanjuje.
Povećana difuzija nosača naboja kroz spoj dovodi do povećanja koncentracije rupa u području n-tip i elektroni u tom području str-tip. Ovo povećanje koncentracije manjinskih nosača zbog utjecaja vanjskog napona primijenjenog na spoj naziva se ubrizgavanje manjinskog nosioca. Neravnotežni manjinski nosioci difunduju duboko u poluvodič i remete njegovu električnu neutralnost. Do obnavljanja neutralnog stanja poluvodiča dolazi zbog dolaska nosilaca naboja iz vanjskog izvora. To je razlog za pojavu struje u vanjskom kolu, zvanom direktna.
Kada je uključen p-n-prijelaz u obrnutom smjeru, vanjski reverzni napon stvara električno polje koje se poklapa u smjeru sa difuzijskim, što dovodi do povećanja potencijalne barijere i povećanja širine blokirajućeg sloja, slika 3. Sve to smanjuje difuzionih struja većinskih nosilaca. Za medije koji nisu mainstream, polje u p-n- spoj ostaje ubrzan, te se stoga struja drifta ne mijenja.
Dakle, rezultujuća struja će teći kroz spoj, određena uglavnom strujom drifta manjinskog nosioca. Budući da broj lebdećih manjinskih nosača ne zavisi od primijenjenog napona (utječe samo na njihovu brzinu), onda kako se obrnuti napon povećava, struja kroz spoj teži graničnoj vrijednosti I S, što se naziva struja zasićenja. Što je veća koncentracija donorskih i akceptorskih nečistoća, to je niža struja zasićenja, a sa povećanjem temperature struja zasićenja raste eksponencijalno.
1.3. Strujno-naponska karakteristika p-n spoja
Zavisnost struje kroz p-n-prelaz sa napona koji se na njega primjenjuje I = f(U) nazvana strujno-naponska karakteristika p-n-prijelaz, slika 4.
Strujno-naponska karakteristika prijelaza elektron-rupa opisana je jednadžbom Ebers-Moll:
, (1)
Gdje I– struja kroz spoj na naponu U;
I S– struja zasićenja koju stvaraju manjinski nosioci naboja. I S naziva se i toplotna struja, jer koncentracija manjinskih nosilaca zavisi od temperature;
q e– naelektrisanje elektrona;
k– Boltzmannova konstanta;
T– apsolutna temperatura;
– potencijal prelazne temperature, približno jednak na sobnoj temperaturi do 0,025 V = 25 mV.
Ako r-n- tranzicija je uključena u smjeru naprijed, napon U uzeti sa znakom plus, ako na suprotan način - sa znakom minus.
Sa direktnim primijenjenim naponom 
jedan se može zanemariti u poređenju sa pojmom 
, a strujno-naponska karakteristika će imati čisto eksponencijalni karakter.
Sa obrnutim (negativnim) naponom 
termin 
može se zanemariti u poređenju sa jedinicom, a struja se ispostavi da je jednaka 
.
Međutim, jednadžba. Ebers-Moll vrlo približno se poklapa sa stvarnim strujno-naponskim karakteristikama, budući da ne uzima u obzir niz fizičkih procesa koji se odvijaju u poluvodičima. Takvi procesi uključuju: stvaranje i rekombinaciju nosača u blokirnom sloju, površinske struje curenja, pad napona na otporu neutralnih područja, fenomene termičkih, lavinskih i tunelskih kvarova.
Ako je struja koja teče kroz spoj beznačajna, onda se pad napona na otporu neutralnih područja može zanemariti. Međutim, kako se struja povećava, ovaj proces sve više utiče na strujno-naponsku karakteristiku uređaja, tj. njegova stvarna karakteristika ide pod manjim uglom i degeneriše se u pravu liniju kada napon na sloju barijere postane jednak kontaktnoj potencijalnoj razlici.
Pri određenom obrnutom naponu uočava se nagli porast obrnute struje. Ova pojava se naziva slom tranzicije. Postoje tri vrste kvarova: tunelski, lavinski i termalni. Tunelski i lavinski kvarovi su tipovi električnih kvarova i povezani su s povećanjem jakosti električnog polja u spoju. Toplotni slom je određen pregrijavanjem spoja.
Tunelski efekat (Zenerov efekat) se sastoji u direktnom prelasku valentnih elektrona iz jednog poluprovodnika u drugi (gde će oni već biti slobodni nosioci naboja), što postaje moguće pri velikoj jačini električnog polja na prelazu. Tako velika jakost električnog polja na spoju može se postići pri visokoj koncentraciji nečistoća u str- I n-područja gdje debljina prijelaza postaje vrlo mala.
U širokom p-n-spojnice koje formiraju poluvodiči sa srednjom ili niskom koncentracijom nečistoća, smanjuje se vjerovatnoća tunelskog curenja elektrona i postaje vjerovatniji proboj lavine.
Do lavinskog sloma dolazi kada je srednja slobodna putanja elektrona u poluprovodniku znatno manja od debljine spoja. Ako tokom svog slobodnog puta elektroni akumuliraju kinetičku energiju dovoljnu da ionizira atome u prijelazu, tada dolazi do udarne ionizacije, praćene lavinskim umnožavanjem nosilaca naboja. Slobodni nosioci naboja koji nastaju kao rezultat udarne jonizacije povećavaju struju obrnute tranzicije.
Toplotni slom je uzrokovan značajnim povećanjem broja nosilaca naboja u p-n-prijelaz zbog kršenja toplotnog režima. Napajanje na raskrsnici P arr = I arr. U otpad se troši na zagrijavanje. Toplina koja se oslobađa u sloju barijere uklanja se uglavnom zbog toplinske provodljivosti kristalne rešetke. U lošim uslovima za odvođenje toplote sa spoja, kao i kada se reverzni napon na spoju poveća iznad kritične vrednosti, moguće ga je zagrejati do temperature na kojoj dolazi do termičke jonizacije atoma. Nosači naboja koji nastaju u ovom slučaju povećavaju obrnutu struju kroz spoj, što dovodi do njegovog daljnjeg zagrijavanja. Kao rezultat takvog sve većeg procesa, prijelaz se neprihvatljivo zagrijava i dolazi do termičkog sloma, karakteriziranog uništenjem kristala.
Povećanje broja nosilaca naboja kada se spoj zagrije dovodi do smanjenja njegovog otpora i napona koji se stvara na njemu. Kao rezultat toga, dio s negativnim diferencijalnim otporom pojavljuje se na obrnutoj grani strujno-naponske karakteristike tijekom termičkog sloma.
-ovo je oblast koja odvaja površinu provodljivosti elektrona i rupa u jednom kristalu.
Spoj elektron-rupa napravljen je u jednom monokristalu, u kojem se dobija prilično oštra granica između područja elektronske i provodljivosti rupa.
Na slici su prikazana dva susjedna područja poluprovodnika, od kojih jedan sadrži donorsku nečistoću (područje elektronske, odnosno n-provodljivosti), a drugi nečistoću akceptora (područje provodljivosti rupa, odnosno p-provodljivosti ). Da biste razumjeli kako se formira ova ili ona vrsta poluprovodnika, preporučujemo da pročitate članak -Nečistoće poluprovodnika.
U nedostatku primijenjenog napona, uočava se difuzija većine nosilaca naboja iz jednog područja u drugo. Budući da su elektroni glavni nosioci naboja, a u n regiji njihova koncentracija je veća, oni difundiraju u p-područje, negativno naelektrišući granični sloj ovog područja. Ali napuštajući svoje mjesto, elektroni stvaraju slobodna mjesta - rupe, čime pozitivno nabijaju granični sloj n-regije. Tako se, nakon prilično kratkog vremenskog perioda, formiraju prostorni naboji suprotnog predznaka sa obe strane interfejsa.
Električno polje stvoreno svemirskim nabojem sprečava dalju difuziju rupa i elektrona. Postoji tzv potencijalna barijera, čiju visinu karakteriše razlika potencijala u graničnom sloju.
Spoj elektron-rupa, u svom vanjskom dizajnu, izveden je u obliku poluvodičke diode.
Ako se na spoj elektron-rupa dovede vanjski napon tako da je negativni pol izvora spojen na područje s elektronskom provodljivošću, a pozitivni pol na područje s provodljivošću rupa, tada će smjer napona izvora vanjski izvor će biti suprotan znaku električnom polju p-n spoja, što će uzrokovati povećanje struje kroz p-n spoj. će nastatijednosmjerna struja,koji će biti uzrokovan kretanjem glavnih nosilaca naboja, u našem slučaju to je kretanje rupa iz p regije u n regiju, te kretanje elektrona iz n područja u p. Trebali biste znati da se rupe kreću suprotno kretanju elektrona, tako da u stvari struja teče u jednom smjeru. Ova veza se zovedirektno. Na strujno-naponskoj karakteristici, takva veza će odgovarati dijelu grafa u prvom kvadrantu.
Ali ako promijenite polaritet napona primijenjenog na p-n spoj u suprotan, tada će se elektroni iz graničnog sloja početi kretati od sučelja do pozitivnog pola izvora, a rupe do negativnog. Posljedično, slobodni elektroni i rupe će se udaljiti od graničnog sloja, stvarajući tako sloj u kojem praktički nema nosilaca naboja. Kao rezultat, struja u pn spoju se smanjuje za desetine hiljada puta, može se smatrati približno jednakom nuli. Ustaje reverzna struja, koji ne formiraju glavni nosioci naboja obrnuto. Na strujno-naponskoj karakteristici, takva veza će odgovarati dijelu grafa u trećem kvadrantu.
Strujno-naponska karakteristika
Kada se spoj elektron-rupa povezuje direktno, struja raste s povećanjem napona. Kada je spojena obrnuto, struja dostiže vrijednost od I us, koja se naziva struja zasićenja.Ako nastavite povećavati napon prilikom ponovnog uključivanja, može doći do kvara diode. Ovo svojstvo se također koristi u raznim zener diodama, itd.
Svojstva pn spojeva se široko koriste u elektronici, naime u diodama, tranzistorima i drugim poluvodičima.
p-n (pe-en) spoj je područje prostora na spoju dva poluvodiča p- i n-tipa, u kojem dolazi do prijelaza s jedne vrste provodljivosti na drugu, takav prijelaz se naziva i prijelaz elektron-rupa.
Postoje dva tipa poluprovodnika: p i n tipovi. U n tipu, glavni nosioci naboja su elektrona , a u tipu p glavni su pozitivno nabijeni rupe. Pozitivna rupa se pojavljuje nakon što se elektron ukloni iz atoma i na njenom mjestu se formira pozitivna rupa.
Da biste razumjeli kako funkcionira p-n spoj, morate proučiti njegove komponente, odnosno poluvodič p-tipa i n-tipa.
Poluprovodnici tipa P i n izrađuju se na bazi monokristalnog silicijuma koji ima veoma visok stepen čistoće, pa i najmanje nečistoće (manje od 0,001%) značajno menjaju njegova električna svojstva.
U poluvodiču n-tipa, glavni nosioci naboja su elektrona . Za njihovo dobijanje koriste se donorske nečistoće, koji se uvode u silicijum,- fosfor, antimon, arsen.
U poluvodiču p-tipa, glavni nosioci naboja su pozitivno nabijeni rupe . Za njihovo dobijanje koriste se akceptorske nečistoće — aluminijum, bor
Poluprovodnik n - tip (elektronska provodljivost)
Nečistoća atoma fosfora obično zamjenjuje glavni atom na mjestima kristalne rešetke. U ovom slučaju, četiri valentna elektrona atoma fosfora dolaze u kontakt sa četiri valentna elektrona susjedna četiri atoma silicija, formirajući stabilnu ljusku od osam elektrona. Ispostavlja se da je peti valentni elektron atoma fosfora slabo vezan za svoj atom i pod utjecajem vanjskih sila (toplotne vibracije rešetke, vanjsko električno polje) lako se oslobađa, stvarajući povećana koncentracija slobodnih elektrona . Kristal poprima elektronsku ili n-tip provodljivosti . U ovom slučaju, atom fosfora, bez elektrona, čvrsto je vezan za kristalnu rešetku silicija s pozitivnim nabojem, a elektron je pokretno negativno naelektrisanje. U nedostatku vanjskih sila, one se međusobno kompenziraju, odnosno u silicijumu n-tipodređen je broj slobodnih elektrona provodljivosti broj uvedenih donorskih atoma nečistoće.
Poluprovodnik p - tip (provodljivost rupa)
Atom aluminija, koji ima samo tri valentna elektrona, ne može samostalno stvoriti stabilnu ljusku od osam elektrona sa susjednim atomima silicija, jer mu je za to potreban još jedan elektron koji uzima od jednog od atoma silicija koji se nalazi u blizini. Atom silicijuma bez elektrona ima pozitivan naboj i, budući da može zgrabiti elektron iz susjednog atoma silicija, može se smatrati mobilnim pozitivnim nabojem koji nije povezan s kristalnom rešetkom, a naziva se rupa. Atom aluminija koji je uhvatio elektron postaje negativno nabijeni centar, kruto vezan za kristalnu rešetku. Električna provodljivost takvog poluvodiča je posljedica pomicanja rupa, zbog čega se naziva poluvodič sa rupama p-tipa. Koncentracija rupa odgovara broju unesenih atoma akceptorske nečistoće.
Električni prijelazi
Električna tranzicija u poluprovodniku se naziva granični sloj između dva područja čije fizičke karakteristike imaju značajne fizičke razlike.
Razlikuju se sljedeće vrste električnih prijelaza:
§ elektron-rupa, ili p–n spoj– prelaz između dva područja poluprovodnika koji imaju različite vrste električne provodljivosti;
§ prelazi između dva regiona, ako je jedan od njih metal, a drugi poluprovodnik p- ili n- tip ( prelaz metal-poluprovodnik);
§ prelazi između dva područja sa istom vrstom električne provodljivosti, koja se razlikuje u koncentraciji nečistoća;
§ prijelazi između dva poluprovodnička materijala sa različitim razmacima pojasa ( heterospojnice).
Rad niza poluvodičkih uređaja (diode, tranzistori, tiristori itd.) zasniva se na pojavama koje nastaju u kontaktu između poluvodiča različitih vrsta provodljivosti.
Granica između dva područja poluvodičkog monokristala, od kojih jedan ima električnu provodljivost tipa str, a drugi je kao n nazvan prelaz elektron-rupa. Koncentracije glavnih nosilaca naboja u regionima str I n mogu biti jednake ili značajno različite. P–n-prijelaz u kojem su koncentracije rupa i elektrona skoro jednake N p N n naziva se simetričnim. Ako su koncentracije glavnih nosilaca naboja različite (N p >> N n ili N p<< N n) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют asimetrično.
Asimetrično p–n-prijelazi se koriste šire od simetričnih, pa ćemo u budućnosti razmatrati samo njih.
Razmotrimo poluprovodnički monokristal (slika 1.12), u koji je, s jedne strane, uvedena akceptorska nečistoća, što uzrokuje pojavu
tip električne provodljivosti str, a s druge strane unesena je donorska nečistoća zbog koje se tu pojavila električna provodljivost tipa n. Svaki mobilni nosilac pozitivnog naboja u regionu str(rupa) odgovara negativno nabijenom ionu akceptorske nečistoće, ali nepokretnom, smještenom u čvoru kristalne rešetke, iu području n Svaki slobodni elektron odgovara pozitivno nabijenom ionu donorske nečistoće, zbog čega cijeli monokristal ostaje električno neutralan.
Slobodni nosioci električnih naboja, pod uticajem gradijenta koncentracije, počinju da se kreću sa mesta sa visokom koncentracijom na mesta sa nižom koncentracijom. Tako će se rupe širiti iz područja str regionu n, a elektroni su, naprotiv, iz regiona n regionu str. Ovo kretanje električnih naboja usmjerenih jedno prema drugom stvara difuzijsku struju p–n-tranzicija. Ali čim rupa izađe van tog područja str preseliti se u to područje n, nalazi se okružen elektronima, koji su glavni nosioci električnih naboja u regionu n. Stoga je velika vjerovatnoća da će elektron ispuniti slobodni nivo i da će doći do fenomena rekombinacije, uslijed čega neće biti ni rupe ni elektrona, već će ostati električni neutralni poluvodički atom. Ali ako je prethodno pozitivni električni naboj svake rupe bio kompenziran negativnim nabojem iona akceptora nečistoće u regiji str, a naelektrisanje elektrona je pozitivni naboj donorskog iona nečistoće u regionu n, zatim nakon rekombinacije rupe i elektrona, električni naboji nepokretnih iona nečistoća koji su stvorili ovu rupu i elektron ostali su nekompenzirani. I prije svega, nekompenzirani naboji iona nečistoća manifestiraju se u blizini međupovršine (slika 1.13), gdje se formira sloj prostornih naboja, odvojen uskim jazom. Između ovih naboja nastaje električno polje sa intenzitetom E, koje se naziva polje potencijalne barijere, a razlika potencijala na granici između dvije zone koje određuju ovo polje naziva se kontaktna razlika potencijala
Ovo električno polje počinje djelovati na mobilne nosače električnih naboja. Dakle, rupe u okolini str– glavni nosioci, ulazeći u zonu delovanja ovog polja, doživljavaju inhibitorni, odbojni efekat od njega i krećući se duž linija sile ovog polja, biće potisnuti dublje u područje str. Slično, elektroni iz regiona n, koji padne u opseg potencijalnog polja barijere, njime će biti potisnuto dublje u područje n. Dakle, u uskom području gdje djeluje polje potencijalne barijere formira se sloj u kojem praktički nema slobodnih nosilaca električnog naboja i kao rezultat ima visok otpor. Ovo je takozvani sloj barijere.
Ako je u okolini str Ako slobodni elektron, koji je manjinski nosilac za ovu regiju, nekako završi u blizini sučelja, tada će doživjeti ubrzavajući učinak od električnog polja potencijalne barijere, uslijed čega će ovaj elektron biti bačen preko međupovršine. u region n, gdje će biti glavni nosilac. Slično, ako je u okolini n Ako se pojavi manjinski nosač (rupa), tada će se pod utjecajem polja potencijalne barijere baciti u regiju str, gdje će već biti glavni nosilac. Pokret manjinskih medija kroz p–n- prijelaz pod utjecajem električnog polja potencijalne barijere određuje komponentu struje drifta.
U nedostatku vanjskog električnog polja uspostavlja se dinamička ravnoteža između tokova većinskih i manjinskih nosilaca električnih naboja. To jest, između difuzijske i drift komponente struje p–n-tranzicija, jer su ove komponente usmjerene jedna prema drugoj.
Dijagram potencijala p–n-prijelaz je prikazan na sl. 1.13, a potencijal na granici između regija uzima se kao nulti potencijal. Kontaktna razlika potencijala formira potencijalnu barijeru sa visinom na međumeđu. Dijagram prikazuje potencijalnu barijeru za elektrone koji se kreću s desna na lijevo zbog difuzije (iz područja n regionu str). Ako pomerimo pozitivni potencijal prema gore, možemo dobiti sliku potencijalne barijere za rupe koje se šire s lijeva na desno (iz regije str regionu n).
U odsustvu vanjskog električnog polja i pod uvjetom dinamičke ravnoteže, jedan Fermi nivo se uspostavlja u oba područja provodljivosti u poluvodičkom kristalu.
Međutim, budući da u poluvodičima str-tip Fermi nivoa
pomera prema vrhu valentnog pojasa, iu poluprovodnicima n-vrsta –
Do dna provodnog pojasa, zatim na širinu p–n-prijelaza, dijagram energetskog pojasa (slika 1.14) se savija i formira se potencijalna barijera:
gdje je energetska barijera koju elektron mora savladati u regiji n tako da može da ode u to područje str, ili slično za rupu u tom području str kako bi se mogla preseliti u to područje n .
Visina potencijalne barijere ovisi o koncentraciji nečistoća, jer kada se ona mijenja, Fermi nivo se mijenja, pomičući se od sredine pojasa do njegove gornje ili donje granice.
1.7.2. Svojstvo kapije p–n spoja
P–n-spoj ima svojstvo da mijenja svoj električni otpor u zavisnosti od smjera struje koja teče kroz njega. Ovo svojstvo se zove ventil, a uređaj s ovim svojstvom se poziva električni ventil.
Hajde da razmotrimo p–n- spoj na koji je spojen vanjski izvor napona Uin sa polaritetom prikazanim na sl. 1.15, “+” na područje str-ukucajte, “–” do područja n-tip. Ova veza se zove direktna veza p–n- tranzicija (ili direktno pristrasnost p–n spoja). Zatim jačina električnog polja vanjskog izvora E Vn će biti usmjeren prema jačini polja potencijalne barijere E i stoga će dovesti do smanjenja nastale napetosti E res:
E rez = E - E in , (1.14).
To će zauzvrat dovesti do smanjenja visine potencijalne barijere i povećanja broja većinskih nosilaca koji difundiraju preko sučelja u susjedni region, koji formiraju tzv. p–n-tranzicija. U ovom slučaju, zbog smanjenja inhibitornog, odbojnog efekta polja potencijalne barijere na glavne nosioce, širina blokirajućeg sloja se smanjuje (’< ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.
Kako se vanjski napon povećava, struja naprijed p–n- tranzicija se povećava. Nakon prelaska preko interfejsa, većinski nosioci postaju manjinski nosioci u suprotnom delu poluprovodnika i, zalazeći dublje u njega, rekombinuju se sa većinskim nosiocima ovog regiona. Ali sve dok je vanjski izvor povezan, struja kroz spoj se održava kontinuiranim protokom elektrona iz vanjskog kola u n-regije i njihov odlazak iz str-područja u vanjsko kolo, zbog čega dolazi do koncentracije rupa u str-regije
Uvođenje nosača naboja kroz p–n-prijelaz kada visina potencijalne barijere opadne u područje poluprovodnika, gdje su ti nosioci manjinski, naziva se ubrizgavanje nosioca naboja.
Kada jednosmjerna struja teče iz područja rupe r u elektronski region n rupe se ubrizgavaju, a elektroni se ubrizgavaju iz oblasti elektrona u oblast rupa.
Injekcioni sloj sa relativno niskim otporom naziva se emiter; sloj u koji dolazi do ubrizgavanja manjinskih nosilaca naboja - baza.
Na sl. Slika 1.16 prikazuje dijagram energetskog pojasa koji odgovara prednaponu p–n-tranzicija.
Ako da r-n- spojite vanjski izvor sa suprotnim polaritetom “–” na spoj str-ukucajte, “+” za područje n-type (slika 1.17), onda se takva veza zove obrnuto prebacivanje p–n spoja(ili obrnuto pristrasnost p–n spoja).
U ovom slučaju, jačina električnog polja ovog izvora E vn će biti usmjerena u istom smjeru kao i jakost električnog polja E potencijalna barijera; visina potencijalne barijere se povećava, a difuziona struja većinskih nosilaca praktično postaje jednaka nuli. Zbog povećanog kočnog, odbojnog djelovanja ukupnog električnog polja na glavne nosioce naboja širina blokirajućeg sloja se povećava (>), a njegov otpor naglo raste.
Sada kroz r–n-prijelaza, teći će vrlo mala struja, zbog prijenosa ukupnog električnog polja na granici glavnih nosilaca koji nastaje pod utjecajem različitih jonizujućih faktora, uglavnom termičke prirode. Proces prijenosa manjinskih nosilaca naboja naziva se ekstrakcija. Ova struja ima driftnu prirodu i naziva se reverzna struja p–n spoja.
Na sl. Slika 1.18 prikazuje dijagram energetskog pojasa koji odgovara obrnutoj pristranosti p–n- tranzicija.
Zaključci:
1. P–n- tranzicija se formira na granici str- I n-regije stvorene u poluvodičkom monokristalu.
2. Kao rezultat difuzije u p–n-prijelaza, nastaje električno polje - potencijalna barijera koja sprečava izjednačavanje koncentracija glavnih nosilaca naboja u susjednim područjima.
3. U nedostatku vanjskog napona U vn v p–n-prijelaz, uspostavlja se dinamička ravnoteža: difuzijska struja postaje jednaka po veličini struji drifta koju formiraju manjinski nosioci naboja, što rezultira strujom kroz p–n-tranzicija postaje nula.
4. Sa predrasudama p–n-prijelaza, potencijalna barijera se smanjuje i kroz spoj teče relativno velika difuziona struja.
5. Kada je obrnuto pristrasan p–n-prijelaza, potencijalna barijera raste, difuzijska struja se smanjuje na nulu, a mala struja drifta teče kroz spoj. Ovo sugerira da p–n- spoj ima jednosmjernu provodljivost. Ovo svojstvo se široko koristi za ispravljanje naizmjeničnih struja.
6. Širina p–n-prijelaz zavisi: od koncentracije nečistoća u str- I n-regije, o predznaku i veličini primijenjenog vanjskog napona U lok. Kako se koncentracija nečistoća povećava, širina p–n-tranzicija se smanjuje i obrnuto. Sa povećanjem prednjeg napona širina p–n-tranzicija se smanjuje. Kako obrnuti napon raste, širina p–n- tranzicija se povećava.
1.7.3. Volt-amperska karakteristika p–n spoja
Strujno-naponska karakteristika p–n-tranzicija je zavisnost struje kroz p–n-prelaz sa veličine napona primijenjenog na njega. Izračunava se na osnovu pretpostavke da nema električnog polja izvan deplecionog sloja, tj. sav napon se primjenjuje na p–n- tranzicija. Ukupna struja kroz p–n-prijelaz je određen zbirom četiri člana:
gdje je struja drifta elektrona;
struja drifta rupa;
Struja difuzije elektrona;
Struja difuzije otvora; koncentracija elektrona ubrizganih u r- region;
Koncentracija rupa ubrizganih u n- region.
Istovremeno, koncentracije manjinskih nosilaca n p0 I p n0 zavisi od koncentracije nečistoća Np I Nn kako slijedi:
Gdje n i, p i su intrinzične koncentracije nosilaca naboja (bez primjesa) elektrona i rupa, respektivno.
Brzina difuzije nosioca υ n, p dif može se dozvoliti da driftuje blizu njihove brzine υ n, p dr u slabom električnom polju sa malim odstupanjima od ravnotežnih uslova. U ovom slučaju, za uslove ravnoteže su zadovoljene sledeće jednakosti:
υ p diff = υ p dr = υ p , υ n dif = υ n dr = vn.
Tada se izraz (1.15) može zapisati kao:
, (1.16).
Reverzna struja se može izraziti na sljedeći način:
Gdje Dn,p– koeficijent difuzije rupa ili elektrona;
Ln, str– dužina difuzije rupa ili elektrona. Od parametara Dn,p , p n0 , n p0 , Ln , str = ovise o temperaturi, tada se češće naziva reverzna struja termička struja.
Sa direktnim naponom iz vanjskog izvora ( U vn > 0) eksponencijalni član u izrazu (1.16) brzo raste, što dovodi do brzog porasta prednje struje, koja je, kao što je već napomenuto, uglavnom određena komponentom difuzije.
Sa obrnutim naponom iz vanjskog izvora
() eksponencijalni član je mnogo manji od jedinice i struje r–n-prijelaz je skoro jednak obrnutoj struji, određen uglavnom drift komponentom. Oblik ove zavisnosti je prikazan na sl. 1.19. Prvi kvadrant odgovara dijelu prednje grane strujno-naponske karakteristike, a treći kvadrant reverznoj grani. Kako napredni napon raste, struja r–n-prijelaz u smjeru naprijed u početku se relativno sporo povećava, a zatim počinje dio brzog porasta naprijed struje, što dovodi do dodatnog zagrijavanja poluvodičke strukture. Ako količina proizvedene topline u ovom slučaju premašuje količinu topline koja je uklonjena iz poluvodičkog kristala bilo prirodno ili uz pomoć
specijalnih rashladnih uređaja, tada mogu doći do nepovratnih promjena u strukturi poluvodiča, sve do uništenja kristalne rešetke. Dakle, jednosmerna struja r–n-prijelaz mora biti ograničen na siguran nivo koji sprečava pregrijavanje poluvodičke strukture. Da biste to učinili, potrebno je koristiti ograničavajući otpornik povezan u seriju p–n-tranzicija.
Sa povećanjem obrnutog napona koji se primjenjuje na r–n-prijelaza, reverzna struja se neznatno mijenja, jer drift komponenta struje, koja prevladava pri reverznom prebacivanju, uglavnom ovisi o temperaturi kristala, a povećanje obrnutog napona samo dovodi do povećanja brzine drifta manjinskih prevoznika bez promene broja. Ovakvo stanje će se održavati sve dok ne dođe do vrijednosti obrnutog napona, pri kojoj počinje intenzivno povećanje reverzne struje - tzv. kvar p–n spoja.
1.7.4. Vrste kvarova p–n spoja
Mogući su reverzibilni i nepovratni kvarovi. Reverzibilni kvar je kvar nakon kojeg p–n- tranzicija ostaje operativna. Nepovratni slom dovodi do uništenja poluvodičke strukture.
Postoje četiri vrste kvara: lavinski, tunelski, termički i površinski. Lavina i kvarovi tunela biće kombinovani pod nazivom - električni kvar, koji je reverzibilan. Nepovratne uključuju termičke i površinske.
Slom lavine karakterističan za poluprovodnike, sa značajnom debljinom r–n-spoj formiran od lagano dopiranih poluprovodnika. U ovom slučaju, širina deplecionog sloja je mnogo veća od difuzijske dužine nosača. Do kvara dolazi pod uticajem jakog električnog polja sa intenzitetom E(8…12) , .U slomu lavine glavnu ulogu imaju manjinski nosioci nastali pod uticajem toplote u r–n-tranzicija.
Ovi nosači se testiraju električnim poljem r–n-tranzicija djeluje ubrzavajuće i počinje se brzo kretati duž linija sile ovog polja. Pri određenoj vrijednosti intenziteta, manjinski nosioci naboja na srednjem slobodnom putu l (slika 1.20) mogu ubrzati do takve brzine da njihova kinetička energija može biti dovoljna da je jonizuju prilikom sljedećeg sudara sa atomom poluvodiča, tj. "izbiti" jedan od njegovih valentnih elektrona i baciti ga u provodni pojas, formirajući tako par elektron-rupa. Rezultirajući nosači će također početi da se ubrzavaju u električnom polju, sudaraju se s drugim neutralnim atomima, a proces će se tako povećati poput lavine. U ovom slučaju dolazi do oštrog povećanja obrnute struje s praktički konstantnim obrnutim naponom.
Parametar koji karakteriše slom lavine je koeficijent multiplikacije lavine M, definisan kao broj događaja umnožavanja lavine u području jakog električnog polja. Veličina obrnute struje nakon množenja lavine bit će jednaka:
gdje je početna struja; U– primijenjeni napon; U p – napon proboja lavine; n– koeficijent jednak 3 za Ge, 5 za Si.
Kvar tunela javlja se u veoma tankom r–n-prijelazi, što je moguće pri vrlo visokim koncentracijama nečistoća N 10 19 cm -3 kada širina prijelaza postane mala (oko 0,01 μm) i pri malim vrijednostima obrnutog napona (nekoliko volti), kada se javlja veliki gradijent električnog polja. Visoka jačina električnog polja, koja djeluje na atome kristalne rešetke, povećava energiju valentnih elektrona i dovodi do njihovog tunelskog “curenja” kroz “tanku” energetsku barijeru (slika 1.21) iz valentnog pojasa str-regije u provodnom pojasu n-regije Štaviše, “curenje” se događa bez promjene energije nosilaca naboja. Proboj tunela također je karakteriziran naglim povećanjem obrnute struje s gotovo konstantnim obrnutim naponom.
Ako povratna struja za oba tipa električnog kvara ne prelazi maksimalnu dozvoljenu vrijednost pri kojoj se
zagrijavanjem i uništavanjem kristalne strukture poluvodiča, oni su reverzibilni i mogu se reproducirati mnogo puta.
Teplov zove slom r–n- prijelaz uzrokovan povećanjem broja nosilaca naboja s povećanjem temperature kristala. Sa povećanjem obrnutog napona i struje, toplinska snaga se oslobađa u r–n-prijelaz, a shodno tome i temperatura kristalne strukture. Pod utjecajem topline, vibracije kristalnih atoma se intenziviraju i veza valentnih elektrona s njima slabi, povećavajući vjerovatnoću njihovog prijelaza u provodni pojas i stvaranje dodatnih parova nosača elektron-rupa. Ako je električna energija r–n-tranzicija premašuje maksimalnu dozvoljenu vrijednost, tada se proces toplotne generacije povećava poput lavine, dolazi do nepovratnog restrukturiranja strukture u kristalu i r-n- tranzicija je uništena.
Da biste spriječili termički kvar, mora se ispuniti sljedeći uvjet:
gdje je najveća dozvoljena disipacija snage r-n-tranzicija.
Površinski slom. Raspodjela jačine električnog polja u r–n-spoj može značajno promijeniti naelektrisanja prisutna na površini poluprovodnika. Površinsko naelektrisanje može dovesti do povećanja ili smanjenja debljine spoja, zbog čega može doći do sloma na površini spoja pri jačini polja nižoj od one koja je potrebna da izazove slom u masi poluvodiča. Ovaj fenomen se zove površinski slom. Veliku ulogu u nastanku površinskog sloma igraju dielektrična svojstva medija koji graniči s površinom poluvodiča. Kako bi se smanjila vjerojatnost površinskog sloma, koriste se posebni zaštitni premazi s visokom dielektričnom konstantom.
1.7.5. Kapacitet r–n-tranzicija
Promjena vanjskog napona za p–n-prijelaz dovodi do promjene širine osiromašenog sloja i, shodno tome, električnog naboja akumuliranog u njemu (to je također zbog promjene koncentracije ubrizganih nosača naboja u blizini prijelaza). Na osnovu ovoga p–n- spoj se ponaša kao kondenzator, čiji je kapacitet definiran kao omjer promjene akumuliranog p–n-prelaz naboja na primijenjeni vanjski napon koji je izazvao ovu promjenu.
Razlikovati barijera(ili punjač) i difuzija kapacitet r-n-tranzicija.
Kapacitivnost barijere odgovara obrnutom spoju p–n-spoj, koji se smatra običnim kondenzatorom, gdje su ploče granice osiromašenog sloja, a sam sloj deplecije služi kao nesavršen dielektrik sa povećanim dielektričnim gubicima:
gdje je relativna dielektrična konstanta poluvodičkog materijala; – električna konstanta (); S – područje p–n-tranzicija; – širina osiromašenog sloja.
Kapacitet barijere raste sa povećanjem površine p–n-prijelaz i dielektrična konstanta poluvodiča i smanjenje širine osiromašenog sloja. Ovisno o području prijelaza, C traka može biti od nekoliko do stotina pikofarada.
Karakteristika kapacitivnosti barijere je da je to nelinearni kapacitet. Kako se obrnuti napon povećava, širina spoja se povećava, a samim tim i kapacitivnost. Iz bara smanjuje se. Priroda zavisnosti C bar = f (U arr) prikazuje grafikon na sl. 1.22. Očigledno, pod uticajem U uzorci kapacitet Iz bara mijenja nekoliko puta.
Kapacitet difuzije karakterizira akumulaciju mobilnih nosača naboja u n- I str-regije sa prednjim naponom na spoju. Praktično postoji samo pri istosmjernom naponu, kada se nosioci naboja difundiraju (ubrizgavaju) u velikim količinama kroz smanjenu potencijalnu barijeru i, bez vremena za rekombinaciju, akumuliraju se u n- I str-regije. Svaka vrijednost direktnog napona odgovara određenim vrijednostima dva suprotna naboja + Q diferencijal I -Q diff, akumuliran u n- I str-regije zbog difuzije nosilaca kroz tranziciju. Kapacitet Sa diferencijalom predstavlja omjer naboja i potencijalne razlike:
Sa povećanjem U pr naprijed struja raste brže od napona, jer Strujno-naponska karakteristika za prednju struju stoga ima nelinearan oblik Q diff raste brže od U pr I Sa diferencijalom povećava.
Kapacitet difuzije je mnogo veći od kapaciteta barijere, ali se ne može koristiti jer ispada da je ranžiran sa malim otporom prema naprijed p–n-tranzicija. Numeričke procjene difuzijske kapacitivnosti pokazuju da njena vrijednost dostiže nekoliko jedinica mikrofarada.
dakle, r–n- spoj se može koristiti kao varijabilni kondenzator,
kontrolisan veličinom i predznakom primijenjenog napona.
1.7.6. Kontakt metal-poluprovodnik
U savremenim poluvodičkim uređajima, pored kontakata sa p–n-prijelaz koristi kontakte metal-poluprovodnik.
Do kontakta metal-poluprovodnik dolazi na mestu kontakta poluprovodničkog kristala n- ili r-vrsta provodljivosti sa metalima. Procesi koji se dešavaju u ovom slučaju određeni su omjerom radnih funkcija elektrona iz metala i iz poluvodiča. Ispod radna funkcija elektrona razumjeti energiju potrebnu za prijenos elektrona sa Fermijevog nivoa na energetski nivo slobodnog elektrona. Što je radna funkcija niža, više elektrona može pobjeći iz datog tijela.
Kao rezultat difuzije elektrona i preraspodjele naboja, električna neutralnost područja susjednih sučelja je poremećena, a dolazi do kontaktnog električnog polja i kontaktne potencijalne razlike:
. (1.21)
Prijelazni sloj u kojem postoji kontaktno električno polje na kontaktu metal-poluvodič naziva se Schottky tranzicija, nazvan po njemačkom naučniku W. Schottkyju, koji je prvi dobio osnovne matematičke odnose za električne karakteristike takvih prelaza.
Kontaktno električno polje na Schottkyjevom spoju koncentrirano je gotovo u poluvodiču, budući da je koncentracija nosilaca naboja u metalu mnogo veća od koncentracije nosilaca naboja u poluvodiču. Preraspodjela elektrona u metalu događa se u vrlo tankom sloju uporedivom s međuatomskom udaljenosti.
Ovisno o vrsti električne provodljivosti poluvodiča i omjeru radnih funkcija u kristalu, može se pojaviti osiromašeni, inverzni ili obogaćeni sloj s električnim nosiocima.
1. < , полупроводник n-tip (slika 1.23, a). U ovom slučaju će prevladavati izlaz elektrona iz metala ( M) u poluprovodnik, dakle, većinski nosioci (elektroni) se akumuliraju u sloju poluprovodnika u blizini sučelja i ovaj sloj se obogaćuje, tj. imaju povećanu koncentraciju elektrona. Otpor ovog sloja će biti mali za bilo koji polaritet primijenjenog napona, pa stoga takav spoj nema svojstvo ispravljanja. Zove se drugačije neispravljajuća tranzicija.
2. < , полупроводник str-tip (slika 1.23, b). U tom slučaju će dominirati bijeg elektrona iz poluvodiča u metal, dok se u graničnom sloju formira područje obogaćeno većim nosiocima naboja (rupama) i ima mali otpor. Ovaj prijelaz također nema svojstvo ispravljanja.
3., poluprovodnik n-tipa (slika 1.24, a). Pod takvim uslovima, elektroni će se uglavnom kretati od poluprovodnika do metala, a u graničnom sloju poluprovodnika će se formirati oblast koja je osiromašena glavnim nosiocima naboja i ima visok otpor. Ovdje se stvara relativno visoka potencijalna barijera, čija će visina značajno ovisiti o polarnosti primijenjenog napona. Ako je , tada je moguće formiranje inverznog sloja ( str-tip). Ovaj kontakt ima svojstvo ispravljanja.
4. , poluprovodnik str-tip (slika 1.24, b). Kontakt koji se formira pod takvim uslovima ima svojstvo ispravljanja, kao i prethodni.
Posebnost kontakta metal-poluprovodnik je u tome što, za razliku od konvencionalnog p–n-prijelaz ovdje visina potencijalne barijere za elektrone i rupe je različita. Kao rezultat, takvi kontakti mogu biti neinjektirajući pod određenim uslovima, tj. kada jednosmerna struja teče kroz kontakt, manjinski nosioci neće biti ubrizgani u oblast poluprovodnika, što je veoma važno za visokofrekventne i impulsne poluprovodničke uređaje.
Poluprovodničke diode
Spoj elektron-rupa je tanak sloj između dva dijela poluvodičkog kristala, u kojem jedan dio ima elektronsku provodljivost, a drugi provodljivost rupa.
Tehnološki proces stvaranja spoja elektron-rupa može biti različit: fuzija (legirane diode), difuzija jedne tvari u drugu (difuzijske diode), epitaksija - orijentiran rast jednog kristala na površini drugog (epitaksijalne diode) itd. Po dizajnu, spojevi elektron-rupa mogu biti simetrični i asimetrični, oštri i glatki, ravni i tačkasti, itd. Međutim, za sve vrste prijelaza, glavno svojstvo je asimetrična električna provodljivost, u kojoj kristal propušta struju u jednom smjeru, ali ne predaje u drugom.
Struktura prijelaza elektron-rupa prikazana je na Sl. 2.1a. Jedan dio ovog spoja je dopiran donorskom nečistoćom i ima elektronsku provodljivost (N-područje). Drugi dio, dopiran akceptorskom primjesom, ima provodljivost rupa (P-područje). Koncentracija elektrona u jednom dijelu i koncentracija rupa u drugom se značajno razlikuju. Osim toga, postoji mala koncentracija manjinskih prijevoznika u oba dijela.
Elektroni u N-području teže prodiranju u P-područje, gdje je koncentracija elektrona mnogo niža. Slično, rupe iz P regiona prelaze u N regiju. Kao rezultat suprotnog kretanja suprotnih naelektrisanja, nastaje takozvana difuziona struja. Elektroni i rupe, prešavši granicu, ostavljaju za sobom suprotna naelektrisanja, koja sprečavaju dalji prolaz difuzione struje. Kao rezultat, uspostavlja se dinamička ravnoteža na granici i nakon zatvaranja N- i P-regije, struja ne teče u kolu. Distribucija gustine prostornog naboja u tranziciji prikazana je na Sl. 2.1 b.
U ovom slučaju, unutrašnje električno polje E pojavljuje se unutar kristala na sučelju, čiji je smjer prikazan na Sl. 2.1. Jačina ovog polja je maksimalna na interfejsu, gde se predznak prostornog naboja naglo menja. Na određenoj udaljenosti od interfejsa nema prostornog naboja i poluprovodnik je neutralan.
Visina potencijalne barijere na p-n spoju određena je kontaktnom razlikom potencijala N- i P-regije. Razlika kontaktnog potencijala, pak, ovisi o koncentraciji nečistoća u ovim područjima:
Gdje j T = kT/q - termalni potencijal,
Nn I R r- koncentracija elektrona i rupa u n - i p - regijama,
n i, je koncentracija nosilaca naboja u nedopiranom poluprovodniku.
Kontaktna razlika potencijala za germanijum je 0,6...0,7 V, a za silicijum - 0,9...1,2 V. Visina potencijalne barijere može se promeniti primenom spoljašnjeg napona na p-p- tranzicija. Ako vanjski napon stvara polje u pn spoju koje se poklapa s unutarnjim, tada se visina potencijalne barijere povećava s obrnutim polaritetom primijenjenog napona, visina potencijalne barijere se smanjuje.
Rice. 2.1. Oštar p-n spoj i raspodjela prostornog naboja u njemu
Ako je primijenjeni napon jednak kontaktnoj potencijalnoj razlici, tada potencijalna barijera potpuno nestaje
Strujno-naponska karakteristika p-n spoja predstavlja ovisnost struje kroz spoj kada se na njemu promijeni vrijednost i polaritet primijenjenog napona. Ako primijenjeni napon smanjuje potencijalnu barijeru, onda se naziva direktnim, a ako ga povećava, naziva se reverznim.
Primjena pravog i obrnutog napona na pn spoj je prikazana na Sl. 2.2.
Obrnutu struju u pn spoju uzrokuju manjinski nosioci u jednoj od regija, koji, lutajući u električnom polju područja prostornog naboja, završavaju u području gdje su već većinski nosioci. Budući da koncentracija većinskih nosača značajno premašuje koncentraciju manjinskih nosača, pojava male dodatne količine većinskih nosača praktično neće promijeniti ravnotežno stanje poluvodiča. Dakle, reverzna struja zavisi samo od broja manjinskih nosilaca koji se pojavljuju na granicama područja prostornog naboja. Spolja primijenjeni napon određuje brzinu kojom se ovi nosioci kreću iz jedne regije u drugu, ali ne i broj nosilaca koji prolaze kroz spoj u jedinici vremena. Posljedično, reverzna struja kroz spoj je struja provodljivosti i ne ovisi o visini potencijalne barijere, tj. ostaje konstantna kada se promijeni obrnuti napon na spoju.
Ova struja se naziva struja zasićenja i označava se
I arr = I S .
Kada je pn spoj nagnut prema naprijed, pojavljuje se (difuzijska) struja, uzrokovana difuzijom većinskih nosilaca koji prevazilaze potencijalnu barijeru.
Nakon prolaska kroz pn spoj, ovi nosioci ulaze u područje poluvodiča za koje su manjinski nosioci. U tom slučaju koncentracija manjinskih nosilaca može se značajno povećati u odnosu na ravnotežnu koncentraciju. Ovaj fenomen se naziva ubrizgavanjem nosača.
Dakle, kada jednosmjerna struja teče kroz prijelaz iz područja elektrona u područje rupe, doći će do ubrizgavanja elektrona, a ubrizgavanje rupe će se dogoditi iz područja rupe. Difuzijska struja ovisi o visini potencijalne barijere i raste eksponencijalno kako se smanjuje:
Gdje U- napon na p-n spoju.
Slika 2 Primjena reverznog (a) i naprijed (b) napona na p-n spoj
Osim difuzijske struje, struja naprijed sadrži struju provodljivosti koja teče u suprotnom smjeru, stoga će ukupna struja kada se p-n spoj pokreće naprijed biti jednaka razlici između struje difuzije (2.2) i struje provodljivosti:
Jednačina (2.3) se naziva Ebers-Moll jednačina, a odgovarajuća strujno-naponska karakteristika p-n spoja prikazana je na Sl. 2.3. Pošto je pri T = 300 K termički potencijal j t = 25 mV, onda već pri U = 0,1 V možemo pretpostaviti da
Diferencijalni otpor p-n spoja može se odrediti pomoću formule (2.3):
odakle nam to
Tako, na primjer, pri struji I = 1A i j T = 25 mV, diferencijalni otpor spoja je 25 mOhm.
Granična vrijednost napona na p-n spoju sa prednagibom ne prelazi kontaktnu potencijalnu razliku y To. Reverzni napon je ograničen slomom pn spoja. Slom pn spoja nastaje zbog lavinskog množenja manjinskih nosilaca i naziva se lavinski slom. Tokom lavinskog sloma p-n spoja, struja kroz spoj je ograničena samo otporom napajanja pn spoj električno kolo (slika 2.3).
Semiconductor p-n-prijelaz, ima kapacitivnost, koja se općenito definira kao omjer prirasta punjenja na spoju i prirasta pada napona na njemu, tj.
C=dq/du.
Rice. 2.3. Volt-amperska karakteristika p-n spoja
Kapacitivnost spoja ovisi o vrijednosti i polaritetu vanjskog primijenjenog napona. Sa obrnutim naponom na spoju, ovaj kapacitet se naziva kapacitivnost barijere i određuje se formulom
gdje je y K razlika potencijala kontakta,
U- obrnuti napon na spoju,
C 6ar (0) - vrijednost kapacitivnosti barijere pri U=0,što ovisi o površini pn spoja i svojstvima poluvodičkog kristala.
Zavisnost kapacitivnosti barijere od primijenjenog napona prikazana je na Sl. 2.4. Teoretski, kapacitivnost barijere postoji i pri direktnom naponu na p-n spoju, ali je šantovana niskim diferencijalnim otporom r diferencijalom.
Rice. 2.4 Zavisnost kapacitivnosti barijere od napona na p-n spoju
Kada je p-n spoj pristrasan prema naprijed, difuzioni kapacitet ima mnogo veći utjecaj, koji ovisi o vrijednosti prednje struje I i vijeku trajanja manjinskih nosilaca t r. Ovaj kapacitet nije povezan sa strujom prednapona, ali daje isti fazni pomak između napona i struje kao normalna kapacitivnost. Vrijednost difuzijskog kapaciteta može se odrediti formulom
Ukupni kapacitet spoja pod prednagibom određen je zbirom kapacitivnosti barijere i difuzije
Kada je spoj reverzno pristrasan, nema difuzijske kapacitivnosti i ukupni kapacitet se sastoji samo od kapacitivnosti barijere.
Poluvodička dioda naziva se uređaj koji ima dva terminala i sadrži jedan (ili više) p-n spojeva. Sve poluvodičke diode mogu se podijeliti u dvije grupe: ispravljačke i specijalne. Ispravljačke diode, kao što samo ime kaže, dizajnirane su za ispravljanje naizmjenične struje. Ovisno o frekvenciji i obliku naizmjeničnog napona dijele se na visokofrekventne, niskofrekventne i impulsne. Posebni tipovi poluvodičkih dioda koriste različita svojstva pn spojeva; fenomen kvara, kapacitivnost barijere, prisustvo područja sa negativnim otporom itd.
Strukturno ispravljačke diode Dijele se na planarne i točkaste, a prema tehnologiji izrade na legirane, difuzijske i epitaksijalne. Zbog velike površine ^-l spoja, planarne diode se koriste za ispravljanje velikih struja. Tačkaste diode imaju malu prijelaznu površinu i, shodno tome, dizajnirane su za ispravljanje malih struja. Za povećanje napona lavinskog proboja koriste se ispravljački stupovi koji se sastoje od niza dioda povezanih u seriju.
Ispravljačke diode velike snage nazivaju se energetskim diodama. Materijal za takve diode je obično silicijum ili galijev arsenid. Germanij se praktički ne koristi zbog jake temperaturne ovisnosti obrnute struje. Diode od legure silikona koriste se za ispravljanje naizmjenične struje do 5 kHz. Silicijumske difuzijske diode mogu raditi na višim frekvencijama, do 100 kHz. Silicijumske epitaksijalne diode sa metalnom podlogom (sa Schottky barijerom) mogu se koristiti na frekvencijama do 500 kHz. Galij-arsenid diode mogu raditi u frekvencijskom opsegu do nekoliko MHz.
Sa velikom strujom kroz pn spoj dolazi do značajnog pada napona u masi poluvodiča i to se ne može zanemariti. Uzimajući u obzir izraz (2.4), strujno-naponska karakteristika ispravljačke diode ima oblik
Gdje R- volumni otpor poluvodičkog kristala, koji se naziva serijski otpor.
Konvencionalna grafička oznaka poluvodičke diode prikazana je na Sl. 2.5 a, i njegova struktura na Sl. 2.5 b. U diodna elektroda spojena na područje R, naziva se anoda (slično električnoj vakuum diodi), a elektroda spojena na područje N,- katoda. Statička strujno-naponska karakteristika diode prikazana je na sl. 2.5 V.
Rice. 2.5. Simbol poluvodičke diode (a), njena struktura (b) i strujno-naponska karakteristika (c)
Snažne diode obično karakterizira skup statičkih i dinamičkih parametara. Statički parametri diode uključuju:
Pad napona U np na diodi pri određenoj vrijednosti naprijed struje;
Reverzna struja I o6r pri određenoj vrijednosti obrnutog napona;
Prosječna vrijednost naprijed struje I pr av;
Impulsni reverzni napon U o6ri.
Dinamički parametri diode uključuju njene vremenske ili frekvencijske karakteristike. Ovi parametri uključuju:
Treverzni napon vremena oporavka;
Vrijeme porasta naprijed struje I Nar;
Granična frekvencija bez smanjenja načina rada diode fmax.
Statički parametri se mogu postaviti pomoću strujno-naponske karakteristike diode, koja je prikazana na Sl. 2.5 V. Tipične vrijednosti statičkih parametara energetskih dioda date su u tabeli. 2.1.
Tabela 2.1 Statički parametri energetskih ispravljačkih dioda
Obrnuto vrijeme oporavka dioda t rev je glavni parametar ispravljačkih dioda, koji karakterizira njihova inercijska svojstva. Određuje se kada dioda prelazi sa zadane struje I pr na zadani reverzni napon U o6p. Grafikoni takvog prebacivanja prikazani su na Sl. 26 b. Dijagram ispitivanja prikazan na sl. 26 b, je polutalasni ispravljač koji radi na otpornom opterećenju R H a napaja se iz izvora napona pravokutnog oblika.
Napon na ulazu kola u trenutku ?=0 skače na pozitivnu vrijednost Um. Zbog inercije procesa difuzije, struja u diodi se ne pojavljuje odmah, već se vremenom povećava tm. Zajedno sa povećanjem struje u diodi, napon na diodi opada, koji nakon 4a P postaje jednak £/ vrijeme. U trenutku t t u krugu se uspostavlja stacionarni režim u kojem je diodna struja i=I s ~U m /R B .
Ova situacija traje do trenutka t2, kada je polaritet napona napajanja obrnut. Međutim, naboji akumulirani na granici ^-i-spoja održavaju diodu u otvorenom stanju neko vrijeme, ali smjer struje u diodi mijenja se u suprotnom smjeru. U suštini, resorpcija naelektrisanja se dešava na ivici 5" (rchm transfer (tj. pražnjenje ekvivalentnog kapaciteta). Nakon vremenskog intervala resorpcije /,„
počinje proces isključivanja diode, tj. proces vraćanja njenih svojstava zaključavanja,
Do vremena< 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени i, nakon čega se dioda zaključava. Do tog vremena, struja u diodi postaje jednaka 1^, a napon dostigne vrijednost - Um. Dakle, vrijeme t^ može se računati od tranzicije Ua kroz nulu sve dok struja diode ne dostigne vrijednost 1^.
Razmatranje procesa uključivanja i isključivanja ispravljačke diode pokazuje da ona nije idealan ventil i da pod određenim uvjetima vodi u suprotnom smjeru. Vrijeme resorpcije manjinskih nosilaca u /?-i-spoju može se odrediti formulom
Gdje x str- vijek trajanja manjinskih prijevoznika.
Vrijeme oporavka obrnutog napona na diodi može se procijeniti pomoću približnog izraza
Treba napomenuti da kada Ra =0(što odgovara radu diode na kapacitivnom opterećenju), reverzna struja kroz diodu u trenutku kada je isključena može biti višestruko veća od struje opterećenja u stacionarnom načinu rada.
Iz pregleda grafova na sl. 2.6 a slijedi da se gubitak snage u diodi naglo povećava kada je uključena, a posebno kada je isključena. Posljedično, gubici u diodi rastu sa povećanjem frekvencije ispravljenog napona. Kada dioda radi na niskoj frekvenciji i harmonijskom obliku napona napajanja, nema strujnih impulsa velike amplitude i gubici u diodi se naglo smanjuju.
Kada se promijeni temperatura tijela diode, mijenjaju se i njeni parametri. Ova zavisnost se mora uzeti u obzir pri razvoju opreme. Prednji napon na diodi i njena reverzna struja najjače ovise o temperaturi. Temperaturni koeficijent napona (TCV) na diodi ima negativnu vrijednost, jer kako temperatura raste, napon na diodi opada. Približno se može pretpostaviti da je TKN U gore =-2mB/K.
Reverzna struja diode još jače ovisi o temperaturi kućišta i ima pozitivan koeficijent. Dakle, sa porastom temperature za svakih 10°C, reverzna struja germanijumskih dioda raste 2 puta, a silicijumskih dioda 2,5 puta.
Gubici u ispravljačkim diodama mogu se izračunati pomoću formule
gdje je P 11r - gubici u diodi u smjeru struje naprijed, R^- gubici u diodi sa obrnutom strujom, R, k- gubici u diodi u fazi obrnutog oporavka.
Rice. 2 6 Grafikoni procesa otključavanja i zaključavanja diode (a) i ispitnog kola (b)
Približna vrijednost terminskog gubitka može se izračunati korištenjem formule
gdje su /„pep i (/„pq, prosječne vrijednosti struje naprijed i napona naprijed na diodi. Slično, možete izračunati gubitak snage s obrnutom strujom:
I konačno, gubici u fazi obrnutog oporavka određuju se formulom
gdje je /" frekvencija naizmjeničnog napona.
Nakon izračunavanja gubitaka snage u diodi, temperaturu tijela diode treba odrediti pomoću formule
gdje je G pmax = 150°C maksimalna dozvoljena temperatura diodnog kristala, RnK- toplinski otpor tijela spoj-dioda (dat u referentnim podacima za diodu), G do max - maksimalna dozvoljena temperatura tijela diode.
Diode sa Schottky barijerom Za ispravljanje niskih visokofrekventnih napona široko se koriste diode s Schottky barijerom (SBD). Ove diode koriste kontakt metal-poluvodič umjesto p-spoja. Na mjestu kontakta pojavljuju se poluvodički slojevi osiromašeni nosiocima naboja, koji se nazivaju slojevi kapije. Diode sa Schottky barijerom razlikuju se od dioda s p-n spojem u sljedećim parametrima:
Donji pad napona naprijed;
Imati niži obrnuti napon;
Veća struja curenja;
Gotovo da nema naknade za obrnuti oporavak.
Dvije glavne karakteristike čine ove diode nezamjenjivim u dizajnu niskonaponskih, visokofrekventnih ispravljača: mali pad napona naprijed i malo vrijeme oporavka obrnutog napona. Osim toga, odsustvo manjinskih nosača koji zahtijevaju vrijeme povratnog oporavka znači da fizički nema gubitka pri prebacivanju na samoj diodi.
U diodama s Schottky barijerom, pad napona naprijed je funkcija obrnutog napona. Maksimalni napon modernih Schottky dioda je oko 150V. Pri ovom naponu, prednji napon DS-a je 0,2...0,3V manji od prednjeg napona dioda sa p-spojom.
Prednosti Schottky diode postaju posebno uočljive pri ispravljanju niskih napona. Na primjer, 45-voltna Schottky dioda ima prednji napon od 0,4...0,6V, a pri istoj struji dioda sa //-spojom ima pad napona od 0,5...1,0V. Kada se obrnuti napon smanji na 15V, napon naprijed se smanjuje na 0,3...0,4V. U prosjeku, korištenje Schottky dioda u ispravljaču može smanjiti gubitke za otprilike 10...15%. Maksimalna radna frekvencija DS-a prelazi 200 kHz pri struji do 30 A.
Povezane informacije.
