Gdy złącze pn jest stosowane w rzeczywistych urządzeniach półprzewodnikowych, można do niego przyłożyć napięcie zewnętrzne. Wielkość i polaryzacja tego napięcia determinują zachowanie złącza i przepływającego przez nie prądu elektrycznego. Jeżeli podłączony jest biegun dodatni zasilacza P-region, a ujemny – do N-obszar, a następnie włączenie p-n-przejście nazywa się bezpośrednim. Po zmianie określonej polaryzacji włączenie p-n-przejście nazywa się odwrotnością.
Przy bezpośrednim podłączeniu p-n-przejście, napięcie zewnętrzne tworzy w złączu pole o kierunku przeciwnym do wewnętrznego pola dyfuzyjnego, rys. 2. Natężenie powstałego pola maleje, czemu towarzyszy zwężenie warstwy blokującej. W efekcie duża liczba nośników ładunku większościowego może w sposób rozproszony przemieszczać się do sąsiedniego obszaru (prąd dryfu nie zmienia się, gdyż zależy od liczby nośników mniejszościowych pojawiających się na granicach przejścia), tj. powstały prąd będzie przepływał przez złącze, determinowany głównie przez składnik dyfuzyjny. Prąd dyfuzyjny zależy od wysokości bariery potencjału i rośnie wykładniczo wraz ze spadkiem.
Zwiększona dyfuzja nośników ładunku przez złącze prowadzi do wzrostu koncentracji dziur w regionie N-typ i elektrony w obszarze P-typ. Ten wzrost stężenia nośników mniejszościowych pod wpływem zewnętrznego napięcia przyłożonego do złącza nazywany jest wtryskiem nośnika mniejszościowego. Nierównowagowe nośniki mniejszościowe dyfundują głęboko w półprzewodnik i zakłócają jego elektryczną neutralność. Przywrócenie stanu neutralnego półprzewodnika następuje w wyniku przybycia nośników ładunku ze źródła zewnętrznego. To jest powód występowania prądu w obwodzie zewnętrznym, zwanego bezpośrednim.
Kiedy jest włączony p-n-przejście w kierunku odwrotnym, zewnętrzne napięcie wsteczne wytwarza pole elektryczne o kierunku zgodnym z dyfuzyjnym, co prowadzi do wzrostu bariery potencjału i zwiększenia szerokości warstwy blokującej, rys. 3. Wszystko to zmniejsza prądy dyfuzyjne większości nośników. W przypadku mediów spoza głównego nurtu pole in p-n- złącze nadal przyspiesza, w związku z czym prąd dryfu nie ulega zmianie.
Zatem powstały prąd będzie przepływał przez złącze, determinowany głównie przez prąd dryfu nośnika mniejszościowego. Ponieważ liczba dryfujących nośników mniejszościowych nie zależy od przyłożonego napięcia (wpływa jedynie na ich prędkość), to wraz ze wzrostem napięcia wstecznego prąd płynący przez złącze dąży do wartości granicznej I S, który nazywa się prądem nasycenia. Im wyższe stężenie zanieczyszczeń donorowych i akceptorowych, tym niższy prąd nasycenia, a wraz ze wzrostem temperatury prąd nasycenia rośnie wykładniczo.
1.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n
Zależność prądu płynącego p-n-przejście od przyłożonego do niego napięcia I = F(U) nazywana charakterystyką prądowo-napięciową p-n-przejście, rysunek 4.
Charakterystykę prądowo-napięciową przejścia elektron-dziura opisuje równanie Ebersa-Molla:
, (1)
Gdzie I– prąd płynący przez złącze przy napięciu U;
I S– prąd nasycenia wytwarzany przez nośniki ładunku mniejszościowego. I S zwany także prądem cieplnym, ponieważ stężenie nośników mniejszościowych zależy od temperatury;
Q mi– ładunek elektronowy;
k– stała Boltzmanna;
T– temperatura bezwzględna;
– potencjał temperatury przejścia, w przybliżeniu równy w temperaturze pokojowej 0,025 V = 25 mV.
Jeśli р-n- włączone jest przejście w kierunku do przodu, napięcie U weź ze znakiem plus, jeśli odwrotnie - ze znakiem minus.
Z bezpośrednio przyłożonym napięciem 
można pominąć w porównaniu z tym terminem 
, a charakterystyka prądowo-napięciowa będzie miała charakter czysto wykładniczy.
Z napięciem wstecznym (ujemnym). 
termin 
można pominąć w porównaniu z jednością, a prąd okazuje się równy 
.
Jednakże równanie. Ebersa-Molla bardzo w przybliżeniu pokrywa się z rzeczywistą charakterystyką prądowo-napięciową, ponieważ nie uwzględnia szeregu procesów fizycznych zachodzących w półprzewodnikach. Do takich procesów zalicza się: generowanie i rekombinację nośników w warstwie blokującej, powierzchniowe prądy upływowe, spadek napięcia na rezystancji obszarów neutralnych, zjawiska przebić termicznych, lawinowych i tunelowych.
Jeśli prąd przepływający przez złącze jest niewielki, wówczas można pominąć spadek napięcia na rezystancji obszarów neutralnych. Jednak wraz ze wzrostem prądu proces ten ma coraz większy wpływ na charakterystykę prądowo-napięciową urządzenia, tj. jego rzeczywista charakterystyka przebiega pod mniejszym kątem i ulega degeneracji do linii prostej, gdy napięcie na warstwie barierowej zrówna się z różnicą potencjałów stykowych.
Przy pewnym napięciu wstecznym obserwuje się gwałtowny wzrost prądu wstecznego. Zjawisko to nazywane jest załamaniem przejściowym. Istnieją trzy rodzaje awarii: tunelowa, lawinowa i termiczna. Awarie tunelowe i lawinowe to rodzaje awarii elektrycznych, które wiążą się ze wzrostem natężenia pola elektrycznego w złączu. Przebicie termiczne jest określane przez przegrzanie złącza.
Efekt tunelowy (efekt Zenera) polega na bezpośrednim przejściu elektronów walencyjnych z jednego półprzewodnika do drugiego (gdzie będą już swobodnymi nośnikami ładunku), co staje się możliwe przy dużym natężeniu pola elektrycznego w miejscu przejścia. Tak duże natężenie pola elektrycznego na złączu można osiągnąć przy dużym stężeniu zanieczyszczeń P- I N-obszary, w których grubość przejścia staje się bardzo mała.
W szerokim p-n-złącza utworzone przez półprzewodniki o średnim lub niskim stężeniu zanieczyszczeń, prawdopodobieństwo wycieku elektronów z tunelu maleje, a prawdopodobieństwo załamania lawiny staje się większe.
Rozpad lawinowy ma miejsce, gdy średnia swobodna droga elektronu w półprzewodniku jest znacznie mniejsza niż grubość złącza. Jeżeli elektrony podczas swojej swobodnej drogi zgromadzą energię kinetyczną wystarczającą do zjonizowania atomów w przejściu, wówczas następuje jonizacja uderzeniowa, której towarzyszy lawinowe zwielokrotnienie nośników ładunku. Nośniki swobodnego ładunku powstałe w wyniku jonizacji uderzeniowej zwiększają prąd przejścia wstecznego.
Przebicie termiczne spowodowane jest znacznym wzrostem liczby nośników ładunku w p-n-przejście z powodu naruszenia reżimu termicznego. Zasilanie doprowadzone do węzła P arr = I przyr. U odpady są przeznaczane na ich ogrzewanie. Ciepło uwolnione w warstwie barierowej jest usuwane głównie dzięki przewodności cieplnej sieci krystalicznej. W przypadku złych warunków odprowadzania ciepła ze złącza, a także gdy napięcie wsteczne na złączu wzrośnie powyżej wartości krytycznej, możliwe jest jego podgrzanie do temperatury, w której następuje termojonizacja atomów. Utworzone w tym przypadku nośniki ładunku zwiększają prąd wsteczny płynący przez złącze, co prowadzi do jego dalszego nagrzewania. W wyniku tak narastającego procesu przejście ulega niedopuszczalnemu nagrzaniu i następuje rozkład termiczny charakteryzujący się zniszczeniem kryształu.
Wzrost liczby nośników ładunku podczas nagrzewania złącza prowadzi do zmniejszenia jego rezystancji i generowanego na nim napięcia. W rezultacie podczas przebicia termicznego na odwrotnej gałęzi charakterystyki prądowo-napięciowej pojawia się sekcja o ujemnej rezystancji różnicowej.
-jest to obszar oddzielający powierzchnie przewodzenia elektronów i dziur w pojedynczym krysztale.
Złącze elektron-dziura wykonane jest w pojedynczym monokrysztale, w którym uzyskuje się dość ostrą granicę pomiędzy obszarami przewodnictwa elektronowego i dziurowego.
Rysunek przedstawia dwa sąsiednie obszary półprzewodnika, z których jeden zawiera domieszkę donorową (obszar elektronowy, czyli przewodność n), a drugi domieszkę akceptorową (obszar przewodnictwa dziurowego, czyli przewodność p ). Aby zrozumieć, jak powstaje ten lub inny typ półprzewodnika, zalecamy przeczytanie artykułu -Zanieczyszczenia półprzewodników.
W przypadku braku przyłożonego napięcia obserwuje się dyfuzję większości nośników ładunku z jednego obszaru do drugiego. Ponieważ głównymi nośnikami ładunku są elektrony, a w obszarze n ich stężenie jest większe, dyfundują one do obszaru p, ładując ujemnie warstwę graniczną tego obszaru. Ale opuszczając swoje miejsce, elektrony tworzą puste miejsca - dziury, ładując w ten sposób dodatnio warstwę graniczną regionu n. Zatem po dość krótkim czasie po obu stronach granicy faz powstają ładunki kosmiczne o przeciwnych znakach.
Pole elektryczne wytwarzane przez ładunki kosmiczne zapobiega dalszej dyfuzji dziur i elektronów. Istnieje tzw potencjalna bariera, którego wysokość charakteryzuje się różnicą potencjałów w warstwie granicznej.
Złącze elektron-dziura w swojej konstrukcji zewnętrznej realizowane jest w postaci diody półprzewodnikowej.
Jeżeli do złącza elektron-dziura zostanie przyłożone napięcie zewnętrzne w taki sposób, że biegun ujemny źródła zostanie połączony z obszarem o przewodności elektronowej, a biegun dodatni zostanie połączony z obszarem o przewodności dziury, wówczas kierunek napięcia zewnętrzne źródło będzie miało przeciwny znak do pola elektrycznego złącza p-n, spowoduje to wzrost prądu płynącego przez złącze p-n. powstanieprąd stały,co będzie spowodowane ruchem głównych nośników ładunku, w naszym przypadku będzie to ruch dziur z obszaru p do obszaru n oraz ruch elektronów z obszaru n do p. Powinieneś wiedzieć, że dziury poruszają się przeciwnie do ruchu elektronów, więc tak naprawdę prąd płynie w jednym kierunku. To połączenie nazywa siębezpośredni. Na charakterystyce prądowo-napięciowej takie połączenie będzie odpowiadać części wykresu w pierwszej ćwiartce.
Ale jeśli zmienisz polaryzację napięcia przyłożonego do złącza p-n na przeciwną, wówczas elektrony z warstwy granicznej zaczną przemieszczać się z interfejsu do dodatniego bieguna źródła, a dziury do ujemnego. W efekcie wolne elektrony i dziury będą oddalać się od warstwy granicznej, tworząc w ten sposób warstwę, w której praktycznie nie ma nośników ładunku. W rezultacie prąd w złączu pn zmniejsza się dziesiątki tysięcy razy, można go uznać za w przybliżeniu równy zeru; Powstaje prąd wsteczny, który nie jest utworzony przez główne nośniki ładunku. To połączenie nazywa się odwracać. Na charakterystyce prądowo-napięciowej takie połączenie będzie odpowiadać części wykresu w trzeciej ćwiartce.
Charakterystyka prądowo-napięciowa
Przy bezpośrednim podłączeniu złącza elektron-dziura prąd rośnie wraz ze wzrostem napięcia. Przy odwrotnym podłączeniu prąd osiąga wartość I us, zwaną prądem nasycenia.Jeśli po ponownym włączeniu napięcie będzie nadal zwiększane, może nastąpić awaria diody. Ta właściwość jest również wykorzystywana w różnych diodach Zenera itp.
Właściwości złącz pn znajdują szerokie zastosowanie w elektronice, a mianowicie w diodach, tranzystorach i innych półprzewodnikach.
Złącze p-n (pe-en) to obszar przestrzeni na styku dwóch półprzewodników typu p i n, w którym następuje przejście z jednego rodzaju przewodnictwa na inny, takie przejście nazywane jest również przejściem elektron-dziura.
Istnieją dwa rodzaje półprzewodników: typy p i n. W typie n głównymi nośnikami ładunku są elektrony , a w typie p główne są naładowane dodatnio dziury. Dodatnia dziura pojawia się po usunięciu elektronu z atomu i na jego miejscu tworzy się dodatnia dziura.
Aby zrozumieć, jak działa złącze p-n, należy przestudiować jego elementy, czyli półprzewodnik typu p i n.
Półprzewodniki typu P i n produkowane są na bazie krzemu monokrystalicznego, który charakteryzuje się bardzo wysokim stopniem czystości, dzięki czemu najmniejsze zanieczyszczenia (poniżej 0,001%) znacząco zmieniają jego właściwości elektryczne.
W półprzewodniku typu n głównymi nośnikami ładunku są: elektrony . Aby je uzyskać, używają zanieczyszczenia dawcy, które są wprowadzane do krzemu,- fosfor, antymon, arsen.
W półprzewodniku typu p główne nośniki ładunku są naładowane dodatnio dziury . Aby je uzyskać, używają zanieczyszczenia akceptorowe — aluminium, bor
Półprzewodnik typu n (przewodność elektronowa)
Zanieczyszczony atom fosforu zwykle zastępuje główny atom w miejscach sieci krystalicznej. W tym przypadku cztery elektrony walencyjne atomu fosforu stykają się z czterema elektronami walencyjnymi sąsiednich czterech atomów krzemu, tworząc stabilną powłokę ośmiu elektronów. Piąty elektron walencyjny atomu fosforu okazuje się słabo związany z jego atomem i pod wpływem sił zewnętrznych (drgania termiczne sieci, zewnętrzne pole elektryczne) łatwo uwalnia się, tworząc zwiększone stężenie wolnych elektronów . Kryształ uzyskuje przewodność elektroniczną lub typu n . W tym przypadku pozbawiony elektronu atom fosforu jest sztywno związany z siecią krystaliczną krzemu z ładunkiem dodatnim, a elektron jest ruchomym ładunkiem ujemnym. W przypadku braku sił zewnętrznych kompensują się one wzajemnie, czyli w krzemie typu nokreśla się liczbę elektronów swobodnego przewodzenia liczba wprowadzonych atomów zanieczyszczeń donorowych.
Półprzewodnik typu p (przewodność dziurowa)
Atom glinu, który ma tylko trzy elektrony walencyjne, nie może samodzielnie stworzyć stabilnej ośmioelektronowej powłoki z sąsiadującymi atomami krzemu, ponieważ potrzebuje do tego innego elektronu, który pobiera z jednego z pobliskich atomów krzemu. Bezelektronowy atom krzemu ma ładunek dodatni, a ponieważ może przechwycić elektron z sąsiedniego atomu krzemu, można go uznać za mobilny ładunek dodatni niezwiązany z siecią krystaliczną, zwany dziurą. Atom glinu, który pochwycił elektron, staje się ujemnie naładowanym centrum, sztywno związanym z siecią krystaliczną. Przewodność elektryczna takiego półprzewodnika wynika z ruchu dziur, dlatego nazywa się go półprzewodnikiem dziurowym typu p. Stężenie dziur odpowiada liczbie wprowadzonych atomów domieszki akceptorowej.
Przejścia elektryczne
Przejście elektryczne w półprzewodniku nazywa się warstwę graniczną między dwoma obszarami, których właściwości fizyczne różnią się znacznie.
Wyróżnia się następujące typy przejść elektrycznych:
§ dziura elektronowa, Lub złącze p–n– przejście pomiędzy dwoma obszarami półprzewodnika mającymi różne rodzaje przewodności elektrycznej;
§ przejścia między dwoma obszarami, jeśli jeden z nich jest metalem, a drugi półprzewodnikiem P- Lub N- typ ( przejście metal-półprzewodnik);
§ przejścia pomiędzy dwoma obszarami o tym samym rodzaju przewodności elektrycznej, różniącymi się stężeniem zanieczyszczeń;
§ przejścia pomiędzy dwoma materiałami półprzewodnikowymi o różnych przerwach wzbronionych ( heterozłącza).
Działanie wielu urządzeń półprzewodnikowych (diod, tranzystorów, tyrystorów itp.) opiera się na zjawiskach zachodzących w kontakcie półprzewodników o różnym typie przewodności.
Granica między dwoma obszarami monokryształu półprzewodnika, z których jeden ma tego typu przewodność elektryczną P, a drugi jest podobny N zwane przejściem elektron-dziura. Stężenia głównych nośników ładunku w regionach P I N mogą być równe lub znacząco różne. P–n-przejście, w którym koncentracja dziur i elektronów jest prawie równa N p N n, nazywa się symetrycznym. Jeżeli stężenia głównych nośników ładunku są różne (N p >> N n lub N p<< N n) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют asymetryczny.
Asymetryczny p–n-przejścia są stosowane szerzej niż przejścia symetryczne, więc w przyszłości rozważymy tylko je.
Rozważmy monokryształ półprzewodnika (rys. 1.12), w którym z jednej strony wprowadza się domieszkę akceptorową, co powoduje pojawienie się
rodzaj przewodności elektrycznej P, a z drugiej strony wprowadzono domieszkę donorową, dzięki czemu pojawiło się tam przewodnictwo elektryczne typu N. Każdy mobilny nośnik ładunku dodatniego w regionie P(dziura) odpowiada ujemnie naładowanemu jonowi domieszki akceptorowej, ale nieruchomemu, znajdującemu się w węźle sieci krystalicznej i w obszarze N Każdy wolny elektron odpowiada dodatnio naładowanemu jonowi domieszki donorowej, w wyniku czego cały monokryształ pozostaje elektrycznie obojętny.
Swobodne nośniki ładunków elektrycznych pod wpływem gradientu stężeń zaczynają przemieszczać się z miejsc o większym stężeniu do miejsc o niższym stężeniu. W ten sposób dziury będą dyfundować z obszaru P do regionu N, a elektrony, wręcz przeciwnie, pochodzą z regionu N do regionu P. Ten ruch ładunków elektrycznych skierowanych ku sobie tworzy prąd dyfuzyjny p–n-przemiana. Ale jak tylko dziura wyjdzie z tego obszaru P przeniesie się w teren N, zostaje otoczony przez elektrony, które są głównymi nośnikami ładunków elektrycznych w regionie N. Istnieje zatem duże prawdopodobieństwo, że elektron wypełni wolny poziom i nastąpi zjawisko rekombinacji, w wyniku którego nie będzie ani dziury, ani elektronu, ale pozostanie obojętny elektrycznie atom półprzewodnika. Jeśli jednak wcześniej dodatni ładunek elektryczny każdego otworu był kompensowany przez ujemny ładunek jonu domieszkowego akceptora w obszarze P, a ładunek elektronu jest ładunkiem dodatnim jonu domieszkującego donora w regionie N, to po rekombinacji dziury i elektronu ładunki elektryczne nieruchomych jonów zanieczyszczeń, które wygenerowały tę dziurę i elektron, pozostały nieskompensowane. Przede wszystkim nieskompensowane ładunki jonów zanieczyszczeń pojawiają się w pobliżu granicy faz (ryc. 1.13), gdzie tworzy się warstwa ładunków kosmicznych oddzielona wąską szczeliną. Pomiędzy tymi ładunkami powstaje pole elektryczne o pewnym natężeniu mi, które nazywa się potencjalnym polem barierowym, a różnica potencjałów na styku dwóch stref wyznaczających to pole nazywa się kontaktową różnicą potencjałów
To pole elektryczne zaczyna oddziaływać na ruchome nośniki ładunków elektrycznych. Czyli dziury w okolicy P– główni nośniki wchodząc w strefę działania tego pola odczują z jego strony działanie hamujące, odpychające i poruszając się wzdłuż linii sił tego pola, zostaną zepchnięci w głąb obszaru P. Podobnie elektrony z regionu N, wpadające w zasięg potencjalnego pola barierowego, zostaną przez nie wypchnięte głębiej w obszar N. Zatem w wąskim obszarze, w którym działa pole bariery potencjału, tworzy się warstwa, w której praktycznie nie ma wolnych nośników ładunku elektrycznego i w rezultacie ma dużą rezystancję. Jest to tak zwana warstwa barierowa.
Jeśli w okolicy P Jeśli wolny elektron, będący nośnikiem mniejszościowym dla tego obszaru, w jakiś sposób trafi w pobliże granicy faz, wówczas dozna efektu przyspieszającego od pola elektrycznego bariery potencjału, w wyniku czego elektron ten zostanie wyrzucony przez granicę międzyfazową w region N, gdzie będzie głównym przewoźnikiem. Podobnie, jeśli w okolicy N Jeżeli pojawi się nośnik mniejszościowy (dziura), to pod wpływem potencjalnego pola barierowego zostanie on wyrzucony w rejon P, gdzie będzie już głównym przewoźnikiem. Ruch mediów mniejszościowych poprzez p–n- przejście pod wpływem pola elektrycznego bariery potencjału wyznacza składową prądu dryfu.
W przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego ustala się dynamiczna równowaga pomiędzy przepływami większościowych i mniejszościowych nośników ładunków elektrycznych. Oznacza to, że pomiędzy składnikami dyfuzyjnymi i dryfowymi prądu p–n-przejście, ponieważ te składniki są skierowane ku sobie.
Schemat potencjału p–n-przejście pokazano na ryc. 1,13, a potencjał na styku regionów przyjmuje się jako potencjał zerowy. Różnica potencjałów kontaktowych tworzy barierę potencjału o wysokości na granicy faz. Diagram przedstawia barierę potencjału dla elektronów, które mają tendencję do przemieszczania się od prawej do lewej w wyniku dyfuzji (z obszaru N do regionu P). Jeśli przesuniemy potencjał dodatni w górę, możemy uzyskać obraz bariery potencjału dla dziur dyfundujących od lewej do prawej (z obszaru P do regionu N).
W przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego i w warunkach równowagi dynamicznej w obu obszarach przewodnictwa w krysztale półprzewodnika ustala się pojedynczy poziom Fermiego.
Jednak ponieważ w półprzewodnikach P-typ poziomu Fermiego
przesuwa się w kierunku góry pasma walencyjnego oraz w półprzewodnikach N-typ -
Do dołu pasma przewodzącego, a następnie na szerokość p–n-przejście, diagram pasm energii (ryc. 1.14) zostaje wygięty i powstaje bariera potencjału:
gdzie jest bariera energetyczna, którą musi pokonać elektron w regionie Nżeby mógł pojechać w tamte rejony P lub podobnie dla dziury w okolicy P aby mogła przenieść się w to miejsce N .
Wysokość bariery potencjału zależy od stężenia zanieczyszczeń, ponieważ gdy się zmienia, zmienia się poziom Fermiego, przesuwając się od środka pasma wzbronionego do jego górnej lub dolnej granicy.
1.7.2. Właściwość bramki złącza p–n
P–n-złącze ma właściwość zmiany swojej rezystancji elektrycznej w zależności od kierunku przepływającego przez nie prądu. Ta właściwość nazywa się zawór, a urządzenie posiadające tę właściwość jest wywoływane zawór elektryczny.
Rozważmy p–n- złącze, do którego podłącza się zewnętrzne źródło napięcia Uin, z zachowaniem polaryzacji pokazanej na rys. 1.15, „+” do obszaru P-wpisz, „–” do obszaru N-typ. To połączenie nazywa się połączenie bezpośrednie p–n-przejście (lub bezpośrednie odchylenie złącza p – n). Następnie natężenie pola elektrycznego źródła zewnętrznego mi Vn będzie skierowane w stronę natężenia pola potencjalnej bariery mi i w związku z tym doprowadzi do zmniejszenia powstałego napięcia mi rez:
E cięcie = E - E w , (1.14).
To z kolei doprowadzi do zmniejszenia wysokości bariery potencjału i wzrostu liczby nośników większościowych dyfundujących przez interfejs do sąsiedniego obszaru, które tworzą tzw. prąd przewodzenia p–n-przemiana. W tym przypadku, w wyniku zmniejszenia hamującego, odpychającego działania potencjalnego pola barierowego na główne nośniki, szerokość warstwy blokującej maleje ( ’< ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.
Wraz ze wzrostem napięcia zewnętrznego wzrasta prąd przewodzenia p–n-wzrost przejścia. Po przekroczeniu granicy nośniki większościowe stają się nośnikami mniejszościowymi w przeciwległym obszarze półprzewodnika i po zagłębieniu się w nie łączą się ponownie z nośnikami większościowymi tego obszaru. Ale dopóki podłączone jest źródło zewnętrzne, prąd płynący przez złącze jest utrzymywany przez ciągły przepływ elektronów z obwodu zewnętrznego do N-region i ich wyjazd P-obszary do obwodu zewnętrznego, przez co następuje koncentracja dziur P-regiony
Wprowadzenie nośników ładunku poprzez p–n-przejście, gdy wysokość bariery potencjału maleje do obszaru półprzewodnika, w którym te nośniki stanowią mniejszość, nazywa się wtrysk nośnika ładunku.
Kiedy prąd stały płynie z obszaru dziury R w obszar elektroniczny N wstrzykiwane są dziury, a elektrony są wstrzykiwane z obszaru elektronowego do obszaru dziury.
Nazywa się warstwę wtryskową o stosunkowo niskiej oporności emiter; warstwa, do której następuje wtrysk nośników ładunku mniejszościowego - opierać.
Na ryc. Rysunek 1.16 przedstawia diagram pasm energii odpowiadający polaryzacji przewodzenia p–n-przemiana.
Jeśli р-n- podłączyć źródło zewnętrzne o przeciwnej polaryzacji „–” do złącza P-wpisz, „+” do obszaru N-type (ryc. 1.17), wówczas wywoływane jest takie połączenie odwrotne przełączenie złącza p–n(Lub odwrotne odchylenie złącza p – n).
W tym przypadku natężenie pola elektrycznego tego źródła mi vn będzie skierowane w tym samym kierunku, co natężenie pola elektrycznego mi potencjalna bariera; wysokość bariery potencjału wzrasta, a prąd dyfuzyjny większości nośników praktycznie staje się równy zeru. Ze względu na zwiększone hamujące, odpychające działanie całkowitego pola elektrycznego na główne nośniki ładunku, szerokość warstwy blokującej wzrasta (>), a jej opór gwałtownie wzrasta.
Teraz przez р–n-przejście, będzie płynął bardzo mały prąd, w wyniku przeniesienia całkowitego pola elektrycznego na styku głównych nośników powstającego pod wpływem różnych czynników jonizujących, głównie o charakterze termicznym. Proces przenoszenia nośników ładunku mniejszościowego nazywa się ekstrakcja. Prąd ten ma charakter dryfu i nazywa się go prąd wsteczny złącza p–n.
Na ryc. Rysunek 1.18 przedstawia diagram pasm energii odpowiadający polaryzacji zaporowej p–n- przemiana.
Wnioski:
1. P–n- przejście powstaje na granicy P- I N-regiony utworzone w monokrysztale półprzewodnika.
2. W wyniku dyfuzji do p–n-przejście, powstaje pole elektryczne - bariera potencjału, która uniemożliwia wyrównanie stężeń głównych nośników ładunku w sąsiednich obszarach.
3. W przypadku braku napięcia zewnętrznego U vn w p–n-przejście, ustala się równowaga dynamiczna: prąd dyfuzyjny staje się równy prądowi dryfu utworzonemu przez nośniki ładunku mniejszościowego, co skutkuje przepływem prądu p–n-przejście staje się zerowe.
4. Z nastawieniem do przodu p–n-przejście, bariera potencjału maleje i przez złącze przepływa stosunkowo duży prąd dyfuzyjny.
5. Gdy jest odwrócony p–n-przejście, bariera potencjału wzrasta, prąd dyfuzyjny spada do zera, a przez złącze przepływa niewielki prąd dryfu. To sugeruje, że p–n- złącze ma przewodnictwo jednokierunkowe. Właściwość ta jest szeroko stosowana do prostowania prądów przemiennych.
6. Szerokość p–n-przejście zależy: od stężenia zanieczyszczeń w P- I N-regiony, na znak i wielkość przyłożonego napięcia zewnętrznego U wew. Wraz ze wzrostem stężenia zanieczyszczeń zwiększa się szerokość p–n-przejście maleje i odwrotnie. Wraz ze wzrostem napięcia przewodzenia szerokość p–n-przejście maleje. Wraz ze wzrostem napięcia wstecznego szerokość p–n-wzrost przejścia.
1.7.3. Charakterystyka woltoamperowa złącza p–n
Charakterystyka prądowo-napięciowa p–n-przejście jest zależnością prądu p–n-przejście od wielkości przyłożonego do niego napięcia. Oblicza się ją w oparciu o założenie, że na zewnątrz warstwy zubożonej nie ma pola elektrycznego, tj. przykładane jest całe napięcie p–n- przemiana. Całkowity prąd przepływający p–n-przejście jest określone przez sumę czterech wyrazów:
gdzie jest prąd dryfu elektronów;
Prąd dryfu otworu;
Prąd dyfuzji elektronów;
Prąd dyfuzyjny otworu; koncentracja elektronów wstrzykniętych do R- region;
Koncentracja otworów wstrzykniętych N- region.
Jednocześnie koncentracje przewoźników mniejszościowych n p0 I p n0 zależy od stężenia zanieczyszczeń Np I Nn następująco:
Gdzie n ja, p ja są wewnętrznymi stężeniami nośników ładunku (bez domieszek) odpowiednio elektronów i dziur.
Szybkość dyfuzji nośnika υ n, p różnica można pozwolić im dryfować z prędkością bliską ich prędkości υ n, p dr w słabym polu elektrycznym z niewielkimi odchyleniami od warunków równowagi. W tym przypadku dla warunków równowagi spełnione są następujące równości:
υ p różnica = υ p dr = υ p , υ n różnica = υ n dr = w.
Następnie wyrażenie (1.15) można zapisać jako:
, (1.16).
Prąd wsteczny można wyrazić w następujący sposób:
Gdzie Dn, s– współczynnik dyfuzji dziur lub elektronów;
Ln, s– długość dyfuzji dziur lub elektronów. Ponieważ parametry Dn, s , p n0 , n p0 , Ln , P = zależą od temperatury, wówczas częściej nazywany jest prądem wstecznym prąd termiczny.
Przy napięciu stałym ze źródła zewnętrznego ( U vn > 0) człon wykładniczy w wyrażeniu (1.16) szybko rośnie, co prowadzi do szybkiego wzrostu prądu przewodzenia, o którym, jak już wspomniano, decyduje głównie składnik dyfuzyjny.
Z napięciem wstecznym ze źródła zewnętrznego
() termin wykładniczy jest znacznie mniejszy niż jedność i prąd р–n-przejście jest prawie równe prądowi wstecznemu, zdeterminowane głównie przez składową dryfu. Postać tej zależności pokazana jest na rys. 1.19. Pierwsza ćwiartka odpowiada przekrojowi gałęzi przedniej charakterystyki prądowo-napięciowej, a trzecia ćwiartka odpowiada gałęzi odwrotnej. Wraz ze wzrostem napięcia przewodzenia wzrasta prąd р–n-przejście w kierunku do przodu początkowo narasta stosunkowo powoli, a następnie rozpoczyna się odcinek szybkiego wzrostu prądu przewodzenia, co prowadzi do dodatkowego nagrzania struktury półprzewodnika. Jeżeli ilość ciepła wytworzonego w tym przypadku przekracza ilość ciepła odebranego z kryształu półprzewodnika w sposób naturalny lub za pomocą
specjalnych urządzeń chłodzących, wówczas mogą nastąpić nieodwracalne zmiany w strukturze półprzewodnika, aż do zniszczenia sieci krystalicznej. Dlatego prąd stały р–n-przejście musi być ograniczone do bezpiecznego poziomu, który zapobiega przegrzaniu struktury półprzewodnika. Aby to zrobić, konieczne jest użycie rezystora ograniczającego połączonego szeregowo z p–n-przemiana.
Wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia wstecznego р–n-przejście, prąd wsteczny zmienia się nieznacznie, ponieważ składowa dryfu prądu, która przeważa podczas przełączania wstecznego, zależy głównie od temperatury kryształu, a wzrost napięcia wstecznego prowadzi jedynie do wzrostu prędkości dryfu przewoźnicy mniejszościowi bez zmiany ich liczby. Sytuacja ta utrzyma się do momentu osiągnięcia wartości napięcia wstecznego, przy której rozpoczyna się intensywny wzrost prądu wstecznego – tzw awaria złącza p–n.
1.7.4. Rodzaje uszkodzeń złącza p–n
Możliwe są awarie odwracalne i nieodwracalne. Awaria odwracalna to awaria, po której następuje p–n- przejście nadal działa. Nieodwracalny rozkład prowadzi do zniszczenia struktury półprzewodnika.
Wyróżnia się cztery rodzaje awarii: lawinową, tunelową, termiczną i powierzchniową. Awarie lawinowe i tunelowe zostaną połączone pod nazwą - awaria elektryczna, co jest odwracalne. Nieodwracalne obejmują termiczne i powierzchniowe.
Załamanie lawinowe charakterystyczne dla półprzewodników, o znacznej grubości р–n-złącze utworzone przez lekko domieszkowane półprzewodniki. W tym przypadku szerokość warstwy zubożonej jest znacznie większa niż długość dyfuzji nośników. Rozpad następuje pod wpływem silnego pola elektrycznego o natężeniu mi(8…12) , .W załamaniu lawinowym główną rolę odgrywają nośniki mniejszościowe powstające pod wpływem ciepła w р–n-przemiana.
Nośniki te są testowane za pomocą pola elektrycznego р–n-przejście ma działanie przyspieszające i zaczyna szybko przemieszczać się wzdłuż linii siły tego pola. Przy pewnej wartości natężenia nośniki ładunku mniejszościowego na średniej swobodnej drodze l (rys. 1.20) mogą przyspieszyć do takiej prędkości, że ich energia kinetyczna może wystarczyć do ich zjonizowania podczas kolejnego zderzenia z atomem półprzewodnika, tj. „wybijają” jeden z jego elektronów walencyjnych i wrzucają go do pasma przewodnictwa, tworząc w ten sposób parę elektron-dziura. Powstałe nośniki również zaczną przyspieszać w polu elektrycznym, zderzać się z innymi neutralnymi atomami, a proces będzie więc narastał jak lawina. W tym przypadku gwałtowny wzrost prądu wstecznego następuje przy praktycznie stałym napięciu wstecznym.
Parametrem charakteryzującym rozpad lawiny jest współczynnik zwielokrotnienia lawiny M, zdefiniowany jako liczba zdarzeń zwielokrotnienia lawiny w obszarze silnego pola elektrycznego. Wielkość prądu wstecznego po zwielokrotnieniu lawiny będzie równa:
gdzie jest prąd początkowy; U– przyłożone napięcie; U p – napięcie przebicia lawinowego; N– współczynnik równy 3 dla Ge, 5 dla Si.
Awaria tunelu występuje w bardzo cienkim р–n-przejścia, które są możliwe przy bardzo dużych stężeniach zanieczyszczeń N 10 19 cm -3, gdy szerokość przejścia staje się mała (około 0,01 μm) i przy małych wartościach napięcia wstecznego (kilka woltów), gdy występuje duży gradient pola elektrycznego. Duże natężenie pola elektrycznego, działające na atomy sieci krystalicznej, zwiększa energię elektronów walencyjnych i prowadzi do ich tunelującego „wycieku” przez „cienką” barierę energetyczną (rys. 1.21) z pasma walencyjnego P-regiony w paśmie przewodnictwa N-regiony Co więcej, „wyciek” następuje bez zmiany energii nośników ładunku. Awaria tunelowa charakteryzuje się również gwałtownym wzrostem prądu wstecznego przy prawie stałym napięciu wstecznym.
Jeżeli prąd wsteczny dla obu rodzajów awarii elektrycznych nie przekracza maksymalnej dopuszczalnej wartości, przy której
nagrzewanie i niszczenie struktury krystalicznej półprzewodnika, są one odwracalne i można je wielokrotnie odtwarzać.
Tepłow zwane awarią р–n- przejście spowodowane wzrostem liczby nośników ładunku wraz ze wzrostem temperatury kryształu. Wraz ze wzrostem napięcia wstecznego i prądu, moc cieplna uwalniana w р–n-przejście i odpowiednio temperatura struktury krystalicznej. Pod wpływem ciepła nasilają się drgania atomów kryształu, a wiązanie z nimi elektronów walencyjnych słabnie, zwiększając prawdopodobieństwo ich przejścia do pasma przewodnictwa i powstania dodatkowych par nośników elektron-dziura. Jeśli energia elektryczna jest р–n-przejście przekracza maksymalną dopuszczalną wartość, wówczas proces wytwarzania ciepła narasta jak lawina, w krysztale następuje nieodwracalna restrukturyzacja struktury i р-n- przejście jest zniszczone.
Aby zapobiec rozkładowi termicznemu, musi zostać spełniony następujący warunek:
gdzie jest maksymalna dopuszczalna strata mocy р-n-przemiana.
Rozbicie powierzchni. Rozkład natężenia pola elektrycznego w р–n-złącze może znacząco zmienić ładunki obecne na powierzchni półprzewodnika. Ładunek powierzchniowy może prowadzić do zwiększenia lub zmniejszenia grubości złącza, w wyniku czego może nastąpić przebicie na powierzchni złącza przy natężeniu pola mniejszym niż wymagane do spowodowania przebicia w większości półprzewodnika. Zjawisko to nazywa się rozpad powierzchni. Główną rolę w powstawaniu przebić powierzchniowych odgrywają właściwości dielektryczne ośrodka graniczącego z powierzchnią półprzewodnika. Aby zmniejszyć prawdopodobieństwo uszkodzenia powierzchni, stosuje się specjalne powłoki ochronne o wysokiej stałej dielektrycznej.
1.7.5. Pojemność р–n-przemiana
Zmiana napięcia zewnętrznego o p–n-przejście prowadzi do zmiany szerokości warstwy zubożonej i odpowiednio zgromadzonego w niej ładunku elektrycznego (jest to również spowodowane zmianą stężenia wtryskiwanych nośników ładunku w pobliżu przejścia). Na tej podstawie p–n- złącze zachowuje się jak kondensator, którego pojemność definiuje się jako stosunek zmiany zgromadzonego ładunku p–n-przejście ładunku na przyłożone napięcie zewnętrzne, które spowodowało tę zmianę.
Wyróżnić bariera(lub ładowarka) i dyfuzja pojemność р-n-przemiana.
Pojemność bariery odpowiada odwrotnemu podłączeniu p–n-złącze, które jest uważane za zwykły kondensator, gdzie płytki stanowią granice warstwy zubożonej, a sama warstwa zubożona służy jako niedoskonały dielektryk ze zwiększonymi stratami dielektrycznymi:
gdzie jest względną stałą dielektryczną materiału półprzewodnikowego; – stała elektryczna (); S – obszar p–n-przemiana; – szerokość warstwy zubożonej.
Pojemność bariery wzrasta wraz ze wzrostem powierzchni p–n-stała przejściowa i dielektryczna półprzewodnika oraz zmniejszenie szerokości warstwy zubożonej. W zależności od obszaru przejściowego słupek C może wynosić od kilku do setek pikofaradów.
Cechą pojemności barierowej jest to, że jest to pojemność nieliniowa. Wraz ze wzrostem napięcia wstecznego zwiększa się szerokość złącza i pojemność. Z baru maleje. Charakter uzależnienia C bar = f (U tablica) pokazuje wykres na ryc. 1,22. Najwyraźniej pod wpływem Próbki U pojemność Z baru zmienia się kilka razy.
Zdolność dyfuzyjna charakteryzuje akumulację mobilnych nośników ładunku N- I P-regiony z napięciem przewodzenia na skrzyżowaniu. Praktycznie istnieje tylko przy napięciu stałym, kiedy nośniki ładunku dyfundują (wstrzykują) w dużych ilościach przez zmniejszoną barierę potencjału i bez czasu na ponowne połączenie gromadzą się w N- I P-regiony. Każda wartość napięcia stałego odpowiada pewnym wartościom dwóch przeciwnych ładunków + Q różnica I -Q różnica, zgromadzone w N- I P-regiony ze względu na dyfuzję nośników w wyniku przejścia. Pojemność Z mechanizmem różnicowym reprezentuje stosunek ładunków do różnicy potencjałów:
Ze wzrostem U pr prąd przewodzenia rośnie szybciej niż napięcie, ponieważ Charakterystyka prądowo-napięciowa dla prądu przewodzenia ma zatem postać nieliniową Q różnica rośnie szybciej niż U pr I Z mechanizmem różnicowym wzrasta.
Zdolność dyfuzyjna jest znacznie większa niż zdolność barierowa, ale nie można jej wykorzystać, ponieważ okazuje się, że jest on bocznikowany z niskim oporem do przodu p–n-przemiana. Numeryczne szacunki pojemności dyfuzyjnej pokazują, że jej wartość sięga kilku jednostek mikrofaradów.
Zatem, р–n- złącze może służyć jako kondensator zmienny,
kontrolowane przez wielkość i znak przyłożonego napięcia.
1.7.6. Styk metal-półprzewodnik
W nowoczesnych urządzeniach półprzewodnikowych oprócz kontaktów z p–n-przejście wykorzystuje styki metal-półprzewodnik.
Kontakt metal-półprzewodnik występuje w miejscu styku kryształu półprzewodnika N- Lub R-rodzaj przewodnictwa metali. Procesy zachodzące w tym przypadku są określone przez stosunek funkcji pracy elektronów z metalu i półprzewodnika. Pod funkcja pracy elektronu zrozumieć energię potrzebną do przeniesienia elektronu z poziomu Fermiego na poziom energetyczny elektronu swobodnego. Im niższa funkcja pracy, tym więcej elektronów może uciec z danego ciała.
W wyniku dyfuzji elektronów i redystrybucji ładunku neutralność elektryczna obszarów sąsiadujących z interfejsem zostaje zakłócona i powstaje kontaktowe pole elektryczne i różnica potencjałów kontaktowych:
. (1.21)
Nazywa się warstwę przejściową, w której na styku metal-półprzewodnik istnieje kontaktowe pole elektryczne Przejście Schottky’ego, nazwany na cześć niemieckiego naukowca W. Schottky'ego, który jako pierwszy uzyskał podstawowe zależności matematyczne dla właściwości elektrycznych takich przejść.
Kontaktowe pole elektryczne na złączu Schottky'ego jest skoncentrowane prawie w półprzewodniku, ponieważ stężenie nośników ładunku w metalu jest znacznie większe niż stężenie nośników ładunku w półprzewodniku. Redystrybucja elektronów w metalu zachodzi w bardzo cienkiej warstwie porównywalnej do odległości międzyatomowej.
W zależności od rodzaju przewodności elektrycznej półprzewodnika i stosunku funkcji pracy w krysztale może pojawić się warstwa zubożona, odwrotna lub wzbogacona w nośniki elektryczne.
1. < , полупроводник N-typ (ryc. 1.23, a). W tym przypadku dominować będzie emisja elektronów z metalu ( M) w półprzewodnik, zatem większość nośników (elektronów) gromadzi się w warstwie półprzewodnika w pobliżu granicy faz, a warstwa ta ulega wzbogaceniu, tj. charakteryzujący się zwiększoną koncentracją elektronów. Rezystancja tej warstwy będzie mała dla dowolnej polaryzacji przyłożonego napięcia, dlatego takie złącze nie ma właściwości prostujących. Nazywa się to inaczej przejście nieprostujące.
2. < , полупроводник P-typ (ryc. 1.23, b). W tym przypadku dominować będzie ucieczka elektronów z półprzewodnika do metalu, a w warstwie granicznej tworzy się również obszar wzbogacony w większościowe nośniki ładunku (dziury) i charakteryzujący się niskim oporem. To przejście nie ma również właściwości prostujących.
3., półprzewodnik typu n (ryc. 1.24, a). W takich warunkach elektrony będą przemieszczać się głównie z półprzewodnika do metalu, a w warstwie granicznej półprzewodnika powstanie obszar zubożony w główne nośniki ładunku i charakteryzujący się dużą rezystancją. Powstaje tutaj stosunkowo wysoka bariera potencjału, której wysokość będzie w znacznym stopniu zależała od polaryzacji przyłożonego napięcia. Jeżeli , to możliwe jest utworzenie warstwy odwrotnej ( P-typ). Kontakt ten ma właściwości prostujące.
4. , półprzewodnik P-typ (ryc. 1.24, b). Styk utworzony w takich warunkach ma właściwości prostujące, podobnie jak poprzedni.
Charakterystyczną cechą styku metal-półprzewodnik jest to, że różni się od konwencjonalnego p–n-przejście tutaj wysokość bariery potencjału dla elektronów i dziur jest inna. W rezultacie takie styki mogą być niewstrzykujące pod pewnymi warunkami, tj. gdy przez styk przepływa prąd stały, nośniki mniejszościowe nie zostaną wprowadzone do obszaru półprzewodnika, co jest bardzo ważne w przypadku urządzeń półprzewodnikowych o wysokiej częstotliwości i impulsowych.
Diody półprzewodnikowe
Złącze elektron-dziura to cienka warstwa pomiędzy dwiema częściami kryształu półprzewodnika, w której jedna część ma przewodność elektronową, a druga ma przewodnictwo dziurowe.
Proces technologiczny tworzenia złącza elektron-dziura może być inny: fuzja (diody stopowe), dyfuzja jednej substancji do drugiej (diody dyfuzyjne), epitaksyjny wzrost jednego kryształu na powierzchni drugiego (diody epitaksjalne) itp. Z założenia złącza elektron-dziura mogą być symetryczne i asymetryczne, ostre i gładkie, płaskie i punktowe itp. Jednak w przypadku wszystkich typów przejść główną właściwością jest asymetryczne przewodnictwo elektryczne, w którym kryształ przepuszcza prąd w jednym kierunku, ale nie przekazuje go w drugim.
Strukturę przejścia elektron-dziura pokazano na ryc. 2.1a. Jedna część tego złącza jest domieszkowana domieszką donorową i ma przewodność elektronową (obszar N). Druga część, domieszkowana domieszką akceptora, ma przewodność dziurową (obszar P). Stężenie elektronów w jednej części i stężenie dziur w drugiej znacznie się różnią. Ponadto w obu częściach występuje niewielka koncentracja przewoźników mniejszościowych.
Elektrony w obszarze N mają tendencję do przenikania do obszaru P, gdzie stężenie elektronów jest znacznie niższe. Podobnie dziury z obszaru P przesuwają się do obszaru N. W wyniku przeciwnego ruchu przeciwnych ładunków powstaje tzw. prąd dyfuzyjny. Elektrony i dziury po przejściu przez granicę faz pozostawiają przeciwne ładunki, które uniemożliwiają dalszy przepływ prądu dyfuzyjnego. W rezultacie na granicy i po zamknięciu ustala się równowaga dynamiczna N- i P, w obwodzie nie płynie żaden prąd. Rozkład gęstości ładunku przestrzennego w przejściu pokazano na ryc. 2.1 B.
W tym przypadku wewnątrz kryształu na granicy faz pojawia się wewnętrzne pole elektryczne E, którego kierunek pokazano na ryc. 2.1. Siła tego pola jest maksymalna na granicy faz, gdzie znak ładunku kosmicznego gwałtownie się zmienia. W pewnej odległości od interfejsu nie ma ładunku przestrzennego i półprzewodnik jest neutralny.
Wysokość bariery potencjału na złączu p-n jest określona przez różnicę potencjałów styku N- i regiony P. Różnica potencjałów kontaktowych zależy z kolei od stężenia zanieczyszczeń w tych obszarach:
Gdzie J T = kT/q - potencjał termiczny,
Nn I R r- koncentracja elektronów i dziur w obszarach n - i p,
n i, to stężenie nośników ładunku w niedomieszkowanym półprzewodniku.
Różnica potencjałów stykowych dla germanu wynosi 0,6...0,7 V, a dla krzemu - 0,9...1,2 V. Wysokość bariery potencjałów można zmieniać podając napięcie zewnętrzne p-p- przemiana. Jeżeli napięcie zewnętrzne tworzy w złączu pn pole pokrywające się z polem wewnętrznym, wówczas wysokość bariery potencjału wzrasta; wraz z odwrotną polaryzacją przyłożonego napięcia wysokość bariery potencjału maleje.
Ryż. 2.1. Ostre złącze p-n i rozkład w nim ładunku kosmicznego
Jeżeli przyłożone napięcie jest równe różnicy potencjałów styku, wówczas bariera potencjału znika całkowicie
Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n reprezentuje zależność prądu płynącego przez złącze, gdy zmienia się na nim wartość i polaryzacja przyłożonego napięcia. Jeśli przyłożone napięcie zmniejsza barierę potencjału, nazywa się to bezpośrednim, a jeśli je zwiększa, nazywa się to odwrotnym.
Przyłożenie napięcia przewodzenia i wstecznego do złącza pn pokazano na ryc. 2.2.
Prąd wsteczny w złączu pn powodowany jest przez nośniki mniejszościowe w jednym z obszarów, które dryfując w polu elektrycznym obszaru ładunku kosmicznego, trafiają do obszaru, w którym są już nośnikami większościowymi. Ponieważ stężenie nośników większościowych znacznie przewyższa stężenie nośników mniejszościowych, pojawienie się niewielkiej dodatkowej ilości nośników większościowych praktycznie nie zmieni stanu równowagi półprzewodnika. Zatem prąd wsteczny zależy tylko od liczby nośników mniejszościowych pojawiających się na granicach obszaru ładunku kosmicznego. Zewnętrznie przyłożone napięcie określa szybkość, z jaką te nośniki przemieszczają się z jednego regionu do drugiego, ale nie liczbę nośnych przechodzących przez złącze w jednostce czasu. W rezultacie prąd wsteczny płynący przez złącze jest prądem przewodzenia i nie zależy od wysokości bariery potencjału, tj. pozostaje stały, gdy zmienia się napięcie wsteczne na złączu.
Prąd ten nazywany jest prądem nasycenia i jest oznaczony
ja arr = ja S .
Kiedy złącze pn jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, pojawia się prąd (dyfuzyjny), spowodowany dyfuzją większości nośników pokonujących barierę potencjału.
Po przejściu przez złącze pn nośniki te wchodzą do obszaru półprzewodnika, dla którego są nośnikami mniejszościowymi. W tym przypadku stężenie nośników mniejszościowych może znacznie wzrosnąć w porównaniu ze stężeniem równowagowym. Zjawisko to nazywa się wtryskiem nośnika.
Zatem, gdy prąd stały przepływa przez przejście z obszaru elektronów do obszaru dziur, nastąpi wtrysk elektronów, a wtrysk dziur nastąpi z obszaru dziur. Prąd dyfuzyjny zależy od wysokości bariery potencjału i rośnie wykładniczo wraz ze spadkiem:
Gdzie U- napięcie na złączu p-n.
Rys. 2 Przyłożenie napięć wstecznego (a) i przewodzenia (b) do złącza p-n
Oprócz prądu dyfuzyjnego prąd przewodzenia zawiera prąd przewodzenia płynący w przeciwnym kierunku, dlatego całkowity prąd przy polaryzacji złącza p-n w kierunku przewodzenia będzie równy różnicy między prądem dyfuzji (2.2) a prądem przewodzenia:
Równanie (2.3) nazywa się równaniem Ebersa-Molla, a odpowiadającą mu charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n pokazano na ryc. 2.3. Ponieważ przy T = 300 K potencjał cieplny j t = 25 mV, to już przy U = 0,1 V możemy założyć, że
Rezystancję różnicową złącza p-n można wyznaczyć ze wzoru (2.3):
skąd to mamy
Na przykład przy prądzie I = 1 A i j T = 25 mV rezystancja różnicowa złącza wynosi 25 mOhm.
Graniczna wartość napięcia na złączu p-n przy polaryzacji przewodzenia nie przekracza różnicy potencjałów styku y Do. Napięcie wsteczne jest ograniczone przez przebicie złącza pn. Awaria złącza pn następuje w wyniku lawinowego namnażania się nośników mniejszościowych i nazywana jest awarią lawinową. Podczas przebicia lawinowego złącza p-n prąd płynący przez złącze jest ograniczony jedynie rezystancją źródła zasilania złącze pn obwód elektryczny (ryc. 2.3).
Półprzewodnik przejście p-n, ma pojemność, którą ogólnie definiuje się jako stosunek przyrostu ładunku na złączu do przyrostu spadku napięcia na nim, tj.
C=dq/du.
Ryż. 2.3. Charakterystyka woltoamperowa złącza p-n
Pojemność złącza zależy od wartości i polaryzacji przyłożonego napięcia zewnętrznego. Przy napięciu wstecznym na złączu pojemność ta nazywana jest pojemnością barierową i jest określana za pomocą wzoru
gdzie y K jest różnicą potencjałów stykowych,
U- napięcie wsteczne na złączu,
C 6ar (0) - wartość pojemności bariery przy U=0, co zależy od powierzchni złącza pn i właściwości kryształu półprzewodnika.
Zależność pojemności bariery od przyłożonego napięcia pokazano na rys. 2.4. Teoretycznie pojemność bariery istnieje również przy napięciu stałym na złączu p-n, ale jest ona bocznikowana przez różnicę o małej rezystancji różnicowej.
Ryż. 2.4 Zależność pojemności bariery od napięcia na złączu p-n
Gdy złącze p-n jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, pojemność dyfuzyjna ma znacznie większy wpływ, który zależy od wartości prądu przewodzenia I i czasu życia nośników mniejszościowych t R. Pojemność ta nie jest powiązana z prądem polaryzacji, ale daje takie samo przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem i prądem, jak normalna pojemność. Wartość pojemności dyfuzyjnej można określić ze wzoru
Całkowita pojemność złącza pod wpływem polaryzacji w kierunku przewodzenia jest określana przez sumę pojemności barierowych i dyfuzyjnych
Gdy złącze jest spolaryzowane zaporowo, nie ma pojemności dyfuzyjnej, a całkowita pojemność składa się tylko z pojemności barierowej.
Dioda półprzewodnikowa nazywane urządzeniem, które ma dwa zaciski i zawiera jedno (lub kilka) złączy p-n. Wszystkie diody półprzewodnikowe można podzielić na dwie grupy: prostownicze i specjalne. Diody prostownicze, jak sama nazwa wskazuje, służą do prostowania prądu przemiennego. W zależności od częstotliwości i formy napięcia przemiennego dzieli się je na wysokoczęstotliwościowe, niskoczęstotliwościowe i pulsacyjne. Specjalne typy diod półprzewodnikowych wykorzystują różne właściwości złączy pn; zjawisko przebicia, pojemność bariery, obecność obszarów o ujemnym oporze itp.
Formalnie diody prostownicze Dzieli się je na płaskie i punktowe, a według technologii wytwarzania na stopowe, dyfuzyjne i epitaksjalne. Ze względu na dużą powierzchnię złącza ^-l do prostowania dużych prądów stosuje się diody planarne. Diody punktowe mają mały obszar przejściowy i dlatego są przeznaczone do prostowania małych prądów. Aby zwiększyć napięcie przebicia lawinowego, stosuje się kolumny prostownicze składające się z szeregu diod połączonych szeregowo.
Diody prostownicze dużej mocy nazywane są diodami mocy. Materiałem na takie diody jest zwykle arsenek krzemu lub galu. German praktycznie nie jest używany ze względu na silną zależność prądu wstecznego od temperatury. Diody ze stopu krzemu służą do prostowania prądu przemiennego do 5 kHz. Silikonowe diody dyfuzyjne mogą pracować przy wyższych częstotliwościach, do 100 kHz. Krzemowe diody epitaksjalne z metalowym podłożem (z barierą Schottky'ego) można stosować w częstotliwościach do 500 kHz. Diody z arsenku galu mogą pracować w zakresie częstotliwości do kilku MHz.
Przy dużym prądzie płynącym przez złącze pn znaczny spadek napięcia w większości półprzewodnika i nie można tego zaniedbać. Biorąc pod uwagę wyrażenie (2.4), przyjmuje się postać charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej
Gdzie R- rezystancja objętościowa kryształu półprzewodnika, nazywana rezystancją szeregową.
Konwencjonalne oznaczenie graficzne diody półprzewodnikowej pokazano na ryc. 2.5 a, a jego strukturę na ryc. 2.5 B. Elektroda diodowa U podłączona do obszaru R, nazywa się anodą (podobnie jak elektryczna dioda próżniowa), a elektroda jest połączona z obszarem N,- katoda. Statyczną charakterystykę prądowo-napięciową diody pokazano na ryc. 2.5 V.
Ryż. 2.5. Symbol diody półprzewodnikowej (a), jej budowa (b) i charakterystyka prądowo-napięciowa (c)
Diody mocy charakteryzują się zwykle zestawem parametrów statycznych i dynamicznych. Do parametrów statycznych diody zalicza się:
Spadek napięcia U np na diodzie przy określonej wartości prądu przewodzenia;
Prąd wsteczny I о6р przy określonej wartości napięcia wstecznego;
Średnia wartość prądu przewodzenia I pr av;
Impulsowe napięcie wsteczne U o6ri.
Do parametrów dynamicznych diody zalicza się jej charakterystykę czasową lub częstotliwościową. Parametry te obejmują:
Czas regeneracji napięcia zwrotnego;
Czas narastania prądu przewodzenia I Nar;
Ogranicz częstotliwość bez zmniejszania trybów diody fmaks.
Parametry statyczne można ustawić za pomocą charakterystyki prądowo-napięciowej diody, co pokazano na ryc. 2.5 V. Typowe wartości parametrów statycznych diod mocy podano w tabeli. 2.1.
Tabela 2.1 Parametry statyczne diod prostowniczych mocy
Odwróć czas odzyskiwania dioda t obr to główny parametr diod prostowniczych, charakteryzujący ich właściwości bezwładnościowe. Określa się, kiedy dioda przełącza się z zadanego prądu przewodzenia I pr na dane napięcie wsteczne U o6p. Wykresy takiego przełączania pokazano na rys. 26 b. Schemat testowy pokazany na rys. 26 B, jest prostownikiem półfalowym pracującym na obciążeniu rezystancyjnym RH i zasilany ze źródła napięcia o kształcie prostokątnym.
Napięcie na wejściu układu w chwili ?=0 przeskakuje do wartości dodatniej Hmm. Ze względu na bezwładność procesu dyfuzji prąd w diodzie nie pojawia się natychmiast, ale z czasem wzrasta tm. Wraz ze wzrostem prądu w diodzie maleje napięcie na diodzie, które po 4a P staje się równe £/czas. W pewnym momencie t t tryb stacjonarny ustala się w obwodzie, w którym płynie prąd diody i=I s ~U m /R B .
Stan ten utrzymuje się do chwili obecnej t2, gdy polaryzacja napięcia zasilania zostanie odwrócona. Jednakże ładunki zgromadzone na granicy złącza ^-i utrzymują diodę przez pewien czas w stanie otwartym, lecz kierunek prądu w diodzie zmienia się na przeciwny. Zasadniczo resorpcja ładunków następuje na krawędzi 5" (przeniesienie rchm (tj. wyładowanie o równoważnej pojemności). Po upływie czasu resorpcji /,„
rozpoczyna się proces wyłączania diody, czyli proces przywracania jej właściwości blokujących,
Do czasu< 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени I, po czym dioda zostaje zablokowana. Do tego czasu prąd w diodzie staje się równy 1^, a napięcie osiąga wartość - Hmm. Więc czas t^ można policzyć od przejścia Ua przez zero, aż prąd diody osiągnie wartość 1^.
Rozważenie procesów załączania i wyłączania diody prostowniczej pokazuje, że nie jest to zawór idealny i w pewnych warunkach przewodzi w przeciwnym kierunku. Czas resorpcji nośników mniejszościowych w złączu /?-i można wyznaczyć ze wzoru
Gdzie x s- czas życia przewoźników mniejszościowych.
Czas powrotu napięcia wstecznego na diodę można oszacować za pomocą przybliżonego wyrażenia
Warto zaznaczyć, że kiedy Ra =0(co odpowiada działaniu diody przy obciążeniu pojemnościowym), prąd wsteczny płynący przez diodę w momencie jej wyłączenia może być wielokrotnie większy niż prąd obciążenia w trybie stacjonarnym.
Z analizy wykresów na ryc. 2.6 a wynika, że strata mocy w diodzie gwałtownie wzrasta, gdy jest ona włączona, a zwłaszcza po wyłączeniu. W konsekwencji straty w diodzie rosną wraz ze wzrostem częstotliwości prostowanego napięcia. Gdy dioda pracuje przy niskiej częstotliwości i harmonicznej postaci napięcia zasilania, nie występują impulsy prądu o dużej amplitudzie, a straty w diodzie są znacznie zmniejszone.
Gdy zmienia się temperatura korpusu diody, zmieniają się jej parametry. Zależność tę należy wziąć pod uwagę przy opracowywaniu sprzętu. Napięcie przewodzenia diody i jej prąd wsteczny zależą najsilniej od temperatury. Współczynnik temperaturowy napięcia (TCV) na diodzie ma wartość ujemną, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury napięcie na diodzie maleje. Można w przybliżeniu założyć, że TKN U w górę =-2mB/K.
Prąd wsteczny diody zależy jeszcze silniej od temperatury obudowy i ma dodatni współczynnik. Zatem wraz ze wzrostem temperatury na każde 10°C prąd wsteczny diod germanowych wzrasta 2-krotnie, a diod krzemowych 2,5-krotnie.
Straty w diodach prostowniczych można obliczyć ze wzoru
gdzie P 11р - straty w diodzie w kierunku prądu do przodu, R^- straty w diodzie przy prądzie wstecznym, R., k- straty w diodzie na etapie odzyskiwania wstecznego.
Ryż. 2 6 Wykresy procesów odblokowania i zablokowania diody (a) oraz obwodu testowego (b)
Przybliżoną wartość straty forward można obliczyć korzystając ze wzoru
gdzie /„pep i (/„pq, są średnimi wartościami prądu przewodzenia i napięcia przewodzenia na diodzie. Podobnie można obliczyć straty mocy przy prądzie wstecznym:
I wreszcie straty na etapie odzyskiwania odwrotnego określa się według wzoru
gdzie /” to częstotliwość napięcia przemiennego.
Po obliczeniu strat mocy w diodzie należy wyznaczyć temperaturę korpusu diody korzystając ze wzoru
gdzie G pmax = 150°C to maksymalna dopuszczalna temperatura kryształu diody, RnK- opór cieplny korpusu diody złącza (podany w danych referencyjnych diody), G do max - maksymalna dopuszczalna temperatura korpusu diody.
Diody barierowe Schottky’ego Do prostowania niskich napięć o wysokiej częstotliwości powszechnie stosuje się diody barierowe Schottky’ego (SBD). W diodach tych zamiast złącza typu P zastosowano styk metal-półprzewodnik. W miejscu styku pojawiają się warstwy półprzewodnikowe pozbawione nośników ładunku, zwane warstwami bramkowymi. Diody z barierą Schottky'ego różnią się od diod ze złączem p-n następującymi parametrami:
Niższy spadek napięcia w kierunku przewodzenia;
Mają niższe napięcie wsteczne;
Wyższy prąd upływowy;
Prawie nie ma opłaty za odwrotne odzyskanie należności.
Dwie główne cechy sprawiają, że diody te są niezbędne w projektowaniu prostowników niskiego napięcia i wysokiej częstotliwości: niski spadek napięcia w kierunku przewodzenia i niski czas powrotu do napięcia wstecznego. Ponadto brak nośników mniejszościowych wymagających czasu odzyskiwania wstecznego oznacza, że fizycznie nie ma strat przełączania na samej diodzie.
W diodach barierowych Schottky'ego spadek napięcia w kierunku przewodzenia jest funkcją napięcia wstecznego. Maksymalne napięcie nowoczesnych diod Schottky'ego wynosi około 150 V. Przy tym napięciu napięcie przewodzenia DS jest o 0,2...0,3 V mniejsze niż napięcie przewodzenia diod ze złączem p.
Zalety diody Schottky'ego stają się szczególnie zauważalne podczas prostowania niskich napięć. Na przykład 45-woltowa dioda Schottky'ego ma napięcie przewodzenia 0,4...0,6 V, a przy tym samym prądzie dioda ze złączem //- ma spadek napięcia 0,5...1,0 V. Gdy napięcie wsteczne spadnie do 15 V, napięcie przewodzenia spadnie do 0,3...0,4 V. Zastosowanie diod Schottky'ego w prostowniku może zmniejszyć straty średnio o około 10...15%. Maksymalna częstotliwość robocza DS przekracza 200 kHz przy prądzie do 30 A.
Powiązane informacje.
