Электротехника и электроника (стр. 4 )

Если к полупроводнику приложить постоянное напряжение, то под действием электрического поля электроны начнут перемещаться в направлении положительного потенциала, а дырки – в противоположном направлении. Электрический ток в полупроводнике, обусловленный действием электрического поля, называется дрейфовым. Он имеет как электронную, так и дырочную составляющие. Плотность дрейфового тока определяется выражением:

       ,

где q – заряд электрона без учета знака; n, р – концентрация электронов и дырок соответственно; μn, μр – подвижность электронов и дырок; σn, σр – удельная электронная и дырочная проводимости.

Кроме дрейфового в полупроводнике может возникать и диффузионный ток. Он возникает в случаях, когда по какой-либо причине в некоторой области полупроводника возникает избыточная концентрация подвижных носителей заряда. То есть диффузионным называется ток, протекающий из области с высокой концентрацией носителей в область с низкой концентрацией. В общем случае диффузионный ток имеет две составляющие и определяется выражением:

       ,

где Dn, Dp – коэффициенты диффузий электронов и дырок; - градиент концентраций электронов и дырок в направлении х.

1.5.1 Электронно-дырочный переход и его свойства

Определение. Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет проводимость n – типа, другая р – типа.

Устройство электронно-дырочного перехода имеет вид представленный на рисунке 2, а.

Электроны в n - области стремятся проникнуть в р – область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из р – области перемещаются в n – область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границы раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие.

При этом внутри кристалла возникает собственное электрическое поле Есобст которое направленно из n – области в р – область. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

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

       ,

где φT – тепловой потенциал, - концентрация носителей заряда в нелегированном полупроводнике, Nn – концентрация электронов в n области, Рр – концентрация дырок в р области.

Высоту потенциального барьера можно  изменять приложением внешнего напряжения к p-n переходу. Если внешне напряжение создает в p-n переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Подключим к p-n переходу источник постоянного напряжения так, чтобы его плюс был соединен с р – областью, а отрицательный с n – областью. Напряжение такой полярности называют положительным или прямым. В этом случае создаваемое на p-n переходе электрическое поле, будет направлено навстречу внутреннему полю. Вследствие этого результирующая напряженность поля и разность потенциалов уменьшатся (рисунке 2, б):

       , .

Это приведет к резкому увеличению диффузионного потока основных носителей через переход, то есть диффузионный ток станет существенно больше дрейфового. Через p-n переход идет ток, практически равный току основных носителей и резко возрастающий при увеличении напряжения внешнего источника питания U.

 

       а)        б)

в)

Рисунок 2. Электронно-дырочный переход:

а - при отсутствии внешнего напряжения; б – при прямом включении; в – при обратном включении.

При изменении полярности внешнего напряжения (обратное включение) Евн будет совпадать по направлению с Есобств. Результирующее электрическое поле и разность потенциалов увеличатся:

       , .

При этом диффузионный ток станет меньше дрейфового. Уже при небольшом отрицательном напряжении обратный ток p-n перехода определяется дрейфовым током неосновных носителей. Если при некотором значении U<0 все неосновные носители проходят через p-n переход, обратный ток достигает насыщения, то есть дальнейшее увеличение запирающего напряжения не приводит к росту Iобр. Естественно, что изменение обратного напряжения вызывает изменение ширины запирающего слоя d (рисунок 2, в).

В общем случае способность p-n перехода проводить ток характеризуется вольтамперной характеристикой, под которой понимается зависимость тока перехода от приложенного к нему напряжению. Математическое выражение, описывающее вольтамперную характеристику имеет вид:

       ,

а ее графическое представление показано на рисунок 3.

Рисунок 3. Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода

1.5.2 Пробой электронно-дырочного перехода

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой p-n перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Электрический пробой является обратимым, то есть в структуре полупроводника не происходит необратимых изменений. Существуют два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для p-n переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки и сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105 В/см, действующем в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения энергии. Такие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей.

Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p-n перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима p-n перехода. Это означает, что количество теплоты выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву  перехода и его тепловому разрушению.

1.6 Диоды

Определение.  Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n переходов.

Для того, чтобы лучше представить все многообразие существующих диодов рассмотрим классификацию.

1.6.1. Классификация и условное графическое обозначение

По назначению полупроводниковые диоды делятся на следующие основные группы: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, туннельные диоды, светодиоды, фотодиоды и так далее. Диоды первых четырех групп являются электропреобразовательными; светодиоды и фотодиоды относятся к оптоэлектронным приборам.

Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные.

Стабилитроны предназначены для стабилизации определенного уровня  постоянного напряжения. Стабилитроны представляют собой диоды, работающие в режиме электрического пробоя (на обратной ветви вольтамперной характеристики). Стабилизирующие свойства стабилитроны основаны на слабой зависимости пробивного напряжения от тока, что является характерным для электрического пробоя. Конструктивно стабилитроны имеют очень малые сопротивления n и р областей. Уменьшение сопротивлений достигается за счет повышения концентраций  донорных и акцепторных примесей.

Варикапами называются диоды, использующие емкость p-n перехода. При внимательном рассмотрении структуры диода видно, что она напоминает строение конденсатора. Емкость p-n перехода в общем случае определяется как приращение заряда на переходе к приращению падения напряжения на нем, то есть:

       .