Исследование вольтамперных характеристик выпрямительных диодов, диодов шоттки, светодиодов и стабилитронов (стр. 3 )

Для того чтобы определить по прямой ветви ВАХ диода коэффициент неидеальности a и ток насыщения IS, прологарифмируем выражение (1) в предположении, что прямые напряжения на p-n-переходе Upn достаточно велики (Upn > 4ajT 0.15 В (при Т = 300 К)), чтобы можно было пренебречь единицей по сравнению со значением экспоненты в выражении (1). В этом случае, логарифмирование выражения (1) дает прямо пропорциональную (линейную) зависимость между натуральным логарифмом тока и напряжением Upn:

. (4)

На рис. 6 представлены зависимости с учетом (сплошные линии) и без учета (штриховые линии) единицы в выражении (1) при двух значениях ( и ). Из этого рисунка видно, что при Upn > 0.15 В зависимость хорошо аппроксимируется линейной зависимостью (4). Линейность зависимости при Upn > 0.15 В дает возможность по ее наклону h определить коэффициент неидеальности (), а по значению , отсекаемому на оси , оценить ток насыщения диода (). Для построения графика зависимости значения напряжений на p‑n‑переходе Upn следует рассчитать по формуле Upn = U – IRБ, используя для этого измеренные напряжения на диоде U и токи через диод I, а также ранее рассчитанное значение сопротивление базы диода RБ.

Рис. 6. Зависимости при значениях и с учетом

(сплошные линии) и без учета (штриховые линии) единицы в выражении (1)

(значения наклона h, указанные на рисунке, соответствуют температуре диода 300 К (27 оС))

2 СВЕТОДИОДЫ

Светодиоды – это полупроводниковые приборы, которые преобразуют электрическую энергию в световую. В основе их работы лежит физическое явление, называемое люминесценцией. Люминесценция это электромагнитное нетепловое излучение, длительность которого значительно превышает период световых колебаний. Для возникновения люминесценции требуется подвод энергии. В зависимости от вида подводимой к веществу энергии различают фото-, хемио-, электро - и другие виды люминесценции.

В светодиодах излучение световой энергии достигается за счет инжекционной электролюминесценции, которая возникает при прямом смещении диода. Инжектированные носители заряда, попав в область диода, где они являются неосновными, рекомбинируют с основными носителями заряда этой области, генерируя тем самым фотон.

Хотя при прямом напряжении на диоде инжекция неосновных носителей заряда осуществляется как из p-области в n-область, так из n-области в p-область, обычно излучающей делают только одну из областей диода – p‑область. Поэтому для повышения КПД светодиода следует увеличивать долю инжекционного тока электронов и уменьшать долю инжекционного тока дырок. Этого достигают за счет более высокой степени легирования n-области донорной примесью, чем p-области акцепторной примесью, или за счет использования при создании светодиода p-n-гетероперехода, т. е. контакта двух полупроводников с разной шириной запрещенных зон.

Для того чтобы светодиод излучал свет в видимой области спектра, энергия фотона, излучаемого при рекомбинации электрона и дырки, должна быть в диапазоне от 2 эВ (для красного света) до 3.5 эВ (для фиолетового света). Поскольку при рекомбинации носителей заряда высвобождается энергия, равная ширине запрещенной зоны используемого полупроводникового материала, то для создания светодиода, излучающего в нужной области спектра, требуется полупроводник с соответствующей шириной запрещенной зоны Eg. В зависимости от доли мышьяка х в полупроводниковом соединении GaAsхP1‑х ширина запрещенной зоны такого соединения изменяется от 1.43 эВ (в случае арсенида галлия GaAs, х = 1) до 2.25 эВ (в случае фосфида галлия GaP, х = 0). Поэтому на основе GaAsхP1‑х можно создавать светодиоды, излучающие от инфракрасной до желто-зеленой области спектра. Для создания синих светодиодов используются более широкозонные полупроводниковые соединения: карбид кремния SiC (Eg = 3 эВ) и нитрид галлия GaN (Eg = 3.5 эВ).

ВАХ светодиода качественно не отличается от обычного выпрямительного диода на основе кремния или германия. Однако за счет большей ширины запрещенной зоны используемого в светодиоде полупроводника напряжение отсечки (т. е. контактная разность потенциалов) у светодиода выше.

3 ДИОДЫ НА ОСНОВЕ КОНТАКТА «МЕТАЛЛ – ПОЛУПРОВОДНИК» (ДИОДЫ ШОТТКИ)

Диод Шоттки – полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании свойств контакта «металл – полупроводник». Наиболее важными особенностями диодов Шоттки (в сравнении с диодами на основе p‑n‑перехода), определяющими их использование, являются низкое напряжение отсечки и высокое быстродействие. Чаще всего диоды Шоттки применяются в мощных выпрямителях на высоких скоростях переключения, импульсных источниках питания, СВЧ схемах, конверторах, в цифровых схемах транзисторно-транзисторной логики Шоттки (ТТЛШ).

Рассмотрим явления в контакте электронного (n-типа) полупроводника и металла в предположении, что работа выхода электрона из полупроводника АП меньше работы выхода электрона из металла АМ, то есть АП < АМ.

а б в

Рис. 7. Энергетические диаграммы металла (М) и полупроводника (П) при отсутствии контакта между ними (а), в начальный момент после их соединения (б) и в равновесном состоянии при наличии контакта (в)

На рис. 7, а показана энергетическая диаграмма металла (М) и полупроводника (П), не находящихся в контакте друг с другом. Термодинамическая работа выхода электрона из металла АМ или полупроводника АП определяется разностью между энергией покоящегося электрона в вакууме у поверхности материала Е0 и уровнем Ферми F в этом материале, т. е. в случае металла АМ = Е0 – FМ, а в случае полупроводника АП = Е0 – FП.

Если обеспечить идеальный контакт металла и полупроводника (т. е. такой контакт, при котором отсутствует вакуумный или диэлектрический слой между металлом и полупроводником), то электроны будут переходить преимущественно из полупроводника в металл (так как уровень Ферми в полупроводнике в момент соединения с металлом лежит выше, чем в металле, FП > FМ (рис. 7, б) ). При этом приконтактная область металла заряжается отрицательно, а в той области полупроводника, из которой ушли свободные электроны в металл, проявляется некомпенсированный положительный заряд, создаваемый ионами доноров. Поток электронов из полупроводника в металл будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми FП и FМ не выровняются, после чего установится динамическое равновесие (встречные токи электронов jП и jМ будут равны друг другу по абсолютной величине). В результате между металлом и полупроводником возникнет контактная разность потенциалов

,

а энергетические уровни в полупроводнике изогнутся (рис. 7, в).

Заряд в приповерхностной области металла будет находиться в пределах длины экранирования, которая составляет доли нанометра. Поскольку концентрация доноров на несколько порядков меньше концентрации электронов в металле, то толщина слоя нескомпенсированных ионов доноров будет гораздо больше и сравнима с толщиной обычного p-n-перехода.

Наличие потенциального барьера на границе «металл – полупроводник», высота которого может изменяться в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения, приводит к тому, что вольтамперная характеристика (ВАХ) контакта будет резко несимметричной и, следовательно, возможно явление выпрямления переменного тока.

Прямым будем считать напряжение U (U > 0), когда металл имеет положительный потенциал относительно полупроводника. При прямом напряжении энергетические уровни в удаленной от границы «металл – полупроводник» области сдвинутся вверх на величину eU (рис. 8, а). Переход электронов из полупроводника в металл облегчится, так как высота барьера для электронов со стороны полупроводника уменьшится, а со стороны металла высота барьера ФМ останется прежней. В этом случае результирующий поток электронов отличен от нуля и направлен от полупроводника к металлу. С увеличением прямого напряжения поток электронов возрастает, а толщина запорного слоя (области пространственного заряда) LП уменьшается.