1.2 Образование p–n перехода, его свойства, вольтамперная характеристика.

При соприкосновении (присоединении) двух полупроводников из одного материала (кремний или германий и т.д.), но с различной проводимостью в месте их соединения появляется участок с особыми свойствами, который называется p–n переходом. Итак, p–n переходом называется область, лежащая в зоне соединения двух полупроводников из одного материала, но имеющих разную проводимость. На рисунке 2.1,а показана конструкция p–n перехода, типы проводимостей полупроводников и их основные носители зарядов.

Рисунок 2.1 – Конструкция p-n перехода (а), модель конденсатора (б)

Как говорилось выше, в полупроводнике типа–p высокая плотность положительно заряженных частиц, а в полупроводнике типа–n высокая плотность отрицательно заряженных частиц. При соединении этих полупроводников возникает диффузионный процесс заряженных частиц. В результате положительно заряженные частицы из полупроводника типа–p проникают в полупроводник типа–n, а отрицательные частицы из полупроводника типа–n проникают в полупроводник типа–p. В окрестности соединения полупроводников происходят рекомбинационные процессы, т.е. взаимная нейтрализация положительных и отрицательных частиц. В результате этого в этой зоне концентрация заряженных частиц становится очень низкой и по электрическим свойствам приближается к диэлектрику. На рисунке 2.1,а этот участок заштрихован как диэлектрик и его принято называть запирающим слоем. Толщина запирающего слоя обозначается буквой d. Электрическое сопротивление запирающего слоя составляет около 200 Ом, а сопротивление полупроводников p и n–проводимостей составляет около 5 Ом.

Однако, не все заряженные частицы рекомбинируются. Часть из них проникает в тело полупроводника за границы запирающего слоя, скапливаются там и создают объёмный заряд. В результате по границам запирающего слоя создаются объёмные заряды в полупроводнике типа–p отрицательной полярности, а в полупроводнике типа–n положительной полярности и между ними возникает электрический потенциал, препятствующий (тормозящий) диффузионному процессу. В результате диффузионного процесса происходит нарастание объёмных зарядов, что приводит к увеличению разности потенциала между ними, а значит, к увеличению электрического поля, препятствующее диффузионному процессу. При определённом значении величин объёмных зарядов тормозящее электрическое поле становится на столько значительным, что заряженные частицы не могут преодолеть его, и диффузионный процесс останавливается. Разность между потенциалами объёмных зарядов принято называть потенциальным барьером и обозначать как Δφ. Величину потенциального барьера ещё называют контактной Э.Д.С. и обозначают как Е_к. Величина контактной Э.Д.С. зависит от количества примесей в полупроводниках. Увеличение количества примесей увеличивает число основных носителей, а значит, увеличивает Е_к. Обычно величина контактной Э.Д.С. составляет десятые доли вольт и имеет значения:

Е_к=0,3÷0,7 В.

Необходимо отметить, что установившееся равновесие, отображающееся в ширине запирающего слоя и величине контактной Э.Д.С., носит режим динамического равновесия. Так часть заряженных частиц, формирующих объёмный заряд, рекомбинируют, что приводит к снижению величины объёмного заряда, а значит к снижению потенциального барьера. Это снижает тормозящее действие поля, что создаёт условие для дополнительного проникновения заряженных частиц в объёмные заряды и восстановления их до прежнего уровня. Аналогичные динамические процессы имеют место и в запирающем слое.

В установившемся динамическом режиме p–n переход, как было рассмотрено, характеризуется наличием запирающего слоя с изоляционными свойствами и расположенными с обеих сторон от него объёмными зарядами с противоположными знаками. Это всё вместе свойственно и конденсатору (рисунок 2.1,б), который состоит из двух пластин, между которыми находится изоляция, а на пластинах которого находятся заряды противоположной полярности. В связи с этим p–n переход характеризуется ещё определённой электрической ёмкостью, которую принято называть барьерной ёмкостью и обозначать С_б.

Итак, как следует из рассмотренного, p–n переход характеризуется наличием запирающего слоя, потенциального барьера и барьерной ёмкостью.

При лабораторных условиях эксплуатации приборов температура такова, что некоторое число основных носителей зарядов в каждой из областей обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера и перехода из одного полупроводника в другой. Образуются соответственно электронная (I_{n диф}) и дырочная (I_{p диф}) составляющие диффузионного тока. Электрическое поле, создающее потенциальный барьер для основных носителей, является ускоряющим для неосновных носителей, которые проходят через p–n переход и создают электронную (I_{n др}) и дырочную (I_{p др}) составляющие дрейфового тока. Диффузионный и дрейфовый токи имеют противоположные направления. В изолированном полупроводнике (без внешней цепи) результирующий ток должен равняться нулю, т.е. устанавливается динамическое равновесие токов, чему соответствует следующее уравнение:

I_n – I_{n др} + I_p – I_{p др} = 0 (1.1)

Вольтамперная характеристика.

Электрические свойства p-n перехода определяются полярностью приложенного напряжения. Различают прямое и обратное включение p-n перехода. Под прямым включением понимается такое, при котором положительный потенциал источника подключен к полупроводнику с положительной проводимостью (типа–p), а отрицательный потенциал источника подключен к полупроводнику с отрицательной проводимостью (типа–n). Изменение полярности подключения источника к p–n переходу приводит к обратному его включению. Рассмотрим электрические процессы в p–n переходе при прямом и обратном включении.

На рис 2.2,а показано прямое включение p–n перехода.

Рисунок 2.2 – Прямое включение (а) и В.А.Х. при прямом включении (б) p-n перехода

Рассмотрим электрические процессы при изменении приложенного прямого напряжения U_np от нулевого до некоторого значения. Прямое напряжение направлено встречно контактному Э.Д.С. Е_к.

Если U_np<E_k, то величина потенциального барьера уменьшается. Это приводит к переходу через p–n переход основных носителей, что вызывает ток через p–n переход и во внешней цепи. Следовательно, увеличивается число основных носителей, проникающих через p–n переход, т. е. возрастает диффузионный ток p–n перехода и прямой ток будет равен разности диффузионного тока и дрейфового тока

I_np = I_диф – I_др > 0

Во внешней цепи появляется ток малой величины (рисунок 2.2,б; точка а). При уменьшении потенциального барьера уменьшается ширина запирающего слоя d и уменьшается его омическое сопротивление из-за увеличения в нём числа заряженных частиц.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к устранению потенциального барьера и вызывает заметное увеличение числа основных носителей заряда, проходящих через p–n переход, а значит, увеличивается ток во внешней цепи. Исчезает (рассасывается) запирающий слой и теперь сопротивление p–n перехода определяется контактным сопротивлением двух полупроводников, которое равно около 0,5 Ом и омическим сопротивлением ПП (рисунок 2.2,б; точка б). В этом случае сопротивление всей цепи определяется сопротивлением полупроводниковой области каждого из полупроводников и, с учётом контактного сопротивления, равно 5*2+0,5=10,5 Ом. Учитывая, что контактное сопротивление имеет малое значение и его величиной обычно пренебрегают.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения вызывает увеличение тока в цепи, значение которого определяется по закону Ома и зависит от величины U_np и величины омического сопротивления полупроводников (рисунок 2.2,б; участок б–в). График представленный на рисунке 2.2,б называется вольтамперной характеристикой p–n перехода при прямом включении.

При обратном включении p–n перехода (рисунок 2.3,а) положительный потенциал источника подключается к полупроводнику с отрицательными основными

Рисунок 2.3 – Обратное включение (а) и В.А.Х. при обратном включении (б) p-n перехода

носителями (проводимость типа–n), отрицательный потенциал источника подключается к полупроводнику с положительными основными носителями (проводимость типа–p). В этом случае направление контной Э.Д.С. (Е_к) и приложенного обратного напряжения (U_обр) совпадают. Величина потенциального барьера в зоне контакта полупроводников равна сумме этих напряжений. Увеличение U_обр от нулевого значения вызывает увеличение числа неосновных носителей, проходящих через p–n переход, что ведёт к некоторому увеличению обратного тока (рисунок 2.3,б; участок о–а). Не останавливаясь на подробностях физических процессов, следует отметить, что при обратном напряжении увеличивается ширина запирающего слоя и его омическое сопротивление. На этом интервале большая часть неосновных носителей (которых на много меньше числа основных носителей) участвует в создании обратного тока. Дальнейшее увеличение обратного напряжения незначительно увеличивает обратный ток (рисунок 2.3,б; участок а–б). Последующее увеличение обратного напряжения вызывает внутреннюю электростатическую эмиссию (зенеровский пробой), т.е. срыв электронов с внешних орбит с последующей ударной ионизацией (лавинный пробой). В полупроводниках появляется большое число неосновных носителей, что ведёт к возрастанию обратного тока. Следствием его может быть разогрев полупроводника и его тепловой пробой (тепловое разрушение).

На рисунке 2.4 приведена вольтамперная характеристика p–n перехода при прямом и обратном напряжении. Из неё видно, что p–n переход при прямом напряжении имеет малое сопротивление.

Рисунок 2.4 – Вольтамперная характеристика p-n перехода

Это приводит к тому, что при малом прямом напряжении (доли и единицы вольт) через него протекает большой ток. При обратном напряжении сопротивление p–n перехода велико и при десятых вольт ток не превышает доли ампер. Это свойство p–n перехода называется свойством однонаправленности – пропускать ток в одном направлении и не пропускать ток в обратном направлении, т.е. иметь малое сопротивление при одной полярности напряжения (прямое включение) и иметь высокое сопротивление при противоположной полярности напряжения (обратное включение).

Сравнивая электрические свойства p–n перехода кремния и германия (рисунок 2.5) следует отметить, что при положительном напряжении В.А.Х. кремния более крутая чем у германия.

Рисунок 2.5 – Сравнительные В.А.Х. p-n перехода для кремния и германия

Обратный ток у кремния заметно меньше обратного тока германия. Эти свойства учитываются как при построении ПП приборов, так и при применении ППП одного типа, но выполненных из разных материалов.

1.3 Схема замещения, частотные и температурные свойства p–n перехода.

Каждый полупроводниковый прибор (диоды, транзисторы) содержит хотя бы один p–n переход. При расчёте электрических цепей, содержащих полупроводниковый прибор, последний должен быть представлен в виде схемы замещения, которая отображает его свойства. Основой схемы замещения полупроводникового прибора является схема замещения p–n перехода (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – Схема замещения p-n перехода

В схеме замещения через r_p и r_n обозначены сопротивления участков полупроводников до p–n перехода соответственно для полупроводников с проводимостью типа–p и типа–n. Через r_д обозначается сопротивление p–n перехода, величина которого зависит от полярности приложенного напряжения, как было рассмотрено выше. Через С_б обозначается барьерная ёмкость p–n перехода.

Наличие барьерной ёмкости в p–n переходе влияет на его частотные свойства. При работе полупроводникового прибора к его p–n переходам прикладывается переменное напряжение с определенной частотой. Как известно, сопротивление конденсатора определяется по формуле:

, где

На низких частотах при обратном напряжении r_д << x_c и сопротивление параллельно соединенных r_д и C_б определяется сопротивлением r_д (т. к. сопротивление x_c → ∞). Этому случаю соответствует В.А.Х. p–n перехода на рисунке 1.8 при f₁. В этом случае p – n переход сохраняет свои однонаправленные свойства.

Рисунок 1.8 – Влияние частоты сигнала на вид В.А.Х. p-n перехода

При увеличении частоты сигнала сопротивление барьерной емкости уменьшается, что ведет к возникновению обратного тока через нее. В результате полный обратный ток между выводами схемы замещения p–n перехода будет равен сумме токов через r_д и C_б. Это ведет к увеличению обратного тока. Дальнейшее увеличение частоты ведет к еще большому увеличению обратного тока, что приводит к ухудшению однонаправленных свойств p–n перехода. В связи с этим для каждого полупроводникового прибора указывается максимально допустимая частота, при которой, входящие в него p–n переходы не теряют однонаправленные свойства, т.е. обратный ток не превышает допустимого значения.

Прямой ток, т. е. ток при прямом включении p–n перехода, практически не изменяется при увеличении частоты, так как сопротивление r_д при прямом включении на много меньше сопротивления барьерной емкости.

Свойства p–n перехода существенно зависят от температуры окружающей среды, а значит и температуры p–n перехода. При увеличении температуры возрастает генерация пар носителей зарядов, т. е. увеличивается число основных носителей зарядов. Это приводит к увеличению прямого тока при неизменной величине прямого напряжения. Очевидно, что с увеличением температуры увеличивается число и неосновных носителей заряда, что заметно увеличивает обратный ток p–n перехода (рисунок 1.9). Увеличение обратного тока ухудшает однопроводные свойства p–n перехода. В этом состоит основное отрицательное влияние повышения температуры на свойства p–n перехода.

Рисунок 1.9 – Вольтамперные характеристики p-n перехода

при различных температурах

Для различных полупроводниковых материалов различны пределы температуры нагрева, которые определяются допустимым значением обратного тока. Для германия он составляет +(80÷100)˚C, а для кремния +(150÷200)˚C. Видно, что кремний более стабилен к нагреву.

Максимально допустимое минусовое воздействие температуры определяется теоретически энергией ионизации донорных и акцепторных примесей и достигает -200˚C. Практически, исходя из реальных климатических условий, предельное значение отрицательной температуры для германия и кремния берется в пределах –(60÷70)˚C.