Polovodičová dioda je elektrokonverzní polovodičové zařízení s jedním elektrickým usměrňovacím spojem a se 2 svorkami.

Struktura polovodičové diody s přechodem elektron-díra a její podmíněnost grafické označení jsou zobrazeny na obr. 1,2, a, b.

Písmena p a n označují vrstvy s vodivostí typu p a n.

Koncentrace většiny nosičů náboje (otvory ve vrstvě p a elektrony ve vrstvě n) se obvykle velmi liší. Polovodičová vrstva s vysokou koncentrací se nazývá emitor a vrstva s nižší koncentrací se nazývá báze.

Dále budeme uvažovat o hlavních prvcích diody (p-n-spoj a neusměrňující kontakt kov-polovodič), fyzických jevech, které jsou základem činnosti diody, a také o důležitých koncepcích použitých k popisu diody.

Hluboké pochopení fyzikálních jevů a zvládnutí těchto konceptů je nezbytné nejen pro správný výběr konkrétních typů diod a určení provozních režimů odpovídajících obvodů prováděním tradičních výpočtů jednou nebo druhou metodou.

Vzhledem k rychlé implementaci v praxi inženýrských prací moderní systémy při modelování obvodů je nutné při provádění matematického modelování neustále pamatovat na tyto jevy a koncepty.

Simulační systémy se rychle zlepšují a matematické modely elementy elektronické obvody ty „nejjemnější“ fyzikální jevy jsou zohledňovány čím dál rychleji. Díky tomu je velmi žádoucí neustále prohlubovat znalosti v popsané oblasti a nezbytné pochopení základních fyzikálních jevů, jakož i používání odpovídajících základních pojmů.

Níže uvedený popis hlavních jevů a konceptů by měl mimo jiné připravit čtenáře na systematické studium problematiky matematického modelování elektronických obvodů.

Fenomény a koncepty uvažované níže by měly být známy při studiu nejen diody, ale i dalších zařízení.

Struktura křižovatky p-n.

Nejprve zvažte polovodičové vrstvy navzájem izolované (obr. 1.3).

Nakreslíme odpovídající diagramy zón (obr. 1.4).

V domácí literatuře o elektronice jsou úrovně pásmových diagramů a rozdíly těchto úrovní často charakterizovány potenciály a potenciálními rozdíly, jejichž měření ve voltech například naznačuje, že mezera pásma φ 5 pro křemík je 1,11 V.

Současně systémy modelování cizích obvodů implementují přístup, že indikované úrovně a rozdíly úrovní jsou charakterizovány jednou nebo druhou energií a jsou měřeny v elektronvoltech (eV), například v reakci na požadavek takového systému o mezera pásma v případě křemíkové diody, hodnota 1,11 eV.

Tato práce využívá přístup přijatý v domácí literatuře.

Nyní zvažte kontaktní vrstvy polovodiče (obr. 1.5).

V kontaktních vrstvách polovodičové difúze otvorů z p vrstvy do n vrstvy dochází, což je důvodem pro to, že jejich koncentrace v p vrstvě je mnohem vyšší než jejich koncentrace v n vrstvě (existuje gradient koncentrace otvorů ). Podobný důvod zajišťuje difúzi elektronů z vrstvy n do vrstvy p.

Difúze otvorů z vrstvy p do vrstvy n zaprvé snižuje jejich koncentraci v blízké hraniční oblasti vrstvy p a zadruhé snižuje koncentraci volných elektronů v těsně hraniční oblasti vrstvy n v důsledku rekombinace. Difúze elektronů z vrstvy n do vrstvy p má podobné výsledky. Výsledkem je, že se v hraničních oblastech vrstvy p a vrstvy n objevuje takzvaná depleční vrstva, ve které je nízká koncentrace mobilních nosičů náboje (elektronů a děr). Vyčerpaná vrstva má vysoký měrný odpor.

Ionty nečistoty ve vyčerpané vrstvě nejsou kompenzovány otvory nebo elektrony. Spolu tvoří ionty nekompenzované vesmírné náboje, které vytvářejí elektrické pole se silou E uvedenou na obr. 1.5. Toto pole brání přechodu děr z vrstvy p do vrstvy n a přechodu elektronů z vrstvy n do vrstvy p. Vytváří takzvaný driftový tok mobilních nosičů náboje, který přesouvá díry z vrstvy n do vrstvy p a elektrony z vrstvy p do vrstvy n.

V ustáleném stavu je driftový tok roven difúznímu toku způsobenému koncentračním gradientem. V asymetrickém p-n spojení je náboj ve vrstvě s nižší koncentrací nečistot, tj. V bázi, prodloužen.

Vykreslíme pásové schéma pro kontaktní vrstvy (obr. 1.6), přičemž vezmeme v úvahu, že úroveň Fermi pro ně je stejná.

Zohlednění struktury p-n-křižovatky a studium pásmového diagramu (obr. 1.6) ukazují, že v přechodové oblasti vzniká potenciální bariéra. U křemíku je výška potenciální bariéry Af přibližně 0,75 V.

Přijměte podmínku, že potenciál nějakého bodu vzdáleného od přechodu ve vrstvě p je roven nule. Vytvořme graf závislosti potenciálu Ф na souřadnici x příslušného bodu (obr. 1.7). Jak je patrné z obrázku, hodnota souřadnice x \u003d 0 odpovídá hranici polovodičových vrstev.

Je důležité si uvědomit, že výše uvedená pásmová schémata a graf potenciálu Ф (obr. 1.7) striktně odpovídají přístupu použitému v literatuře o fyzice polovodičů, podle kterého je potenciál určen pro elektron se záporným nábojem.

V elektrotechnice a elektronice je definována jako práce prováděná silami pole k přenosu jediného kladného náboje.

Vytvořme graf závislosti Fe potenciálu, stanovený na základě elektrotechnického přístupu, na souřadnici x (obr. 1.8).

Níže bude index „e“ v označení potenciálu vynechán a bude použit pouze elektrotechnický přístup (s výjimkou zónových diagramů).

Přímé a reverzní zahrnutí spojení pn. Idealizovaný matematický popis přechodové charakteristiky.

Připojíme externí zdroj k p-n-křižovatce, jak je znázorněno na obr. 1.9. Jedná se o takzvané přímé zahrnutí spojení p - n. V důsledku toho se potenciální bariéra sníží o hodnotu u (obr. 1.10), pokles driftového toku, přechod p - n přejde do nerovnovážného stavu a protéká ním tzv. Dopředný proud.

Připojte zdroj ke křižovatce p-n, jak je znázorněno na obr. 1.11. Toto je takzvaná reverzní inkluze p-n křižovatky. Nyní se potenciální bariéra zvýší o u (obr. 1.12). V tomto případě bude spojení p-n velmi malé. Jedná se o tzv. Reverz, který je zajištěn termogenerací elektronů a otvorů v oblastech sousedících s oblastí pn-spojení.

Vesmírné náboje však vytvářejí elektrické pole, které naopak nejvýznamnějším způsobem ovlivňuje pohyb volných nosičů elektřiny, tj. Proces toku proudu.

Se zvětšením recipročního vzrůstá oblast vesmírných nábojů (hlavně kvůli základně) a množství náboje v každé vrstvě (p a n) polovodiče. K tomuto nárůstu dochází neúměrně: s velkým zpětným napětím v modulu se náboj zvyšuje se zvyšujícím se modulem pomaleji než s nízkým modulem zpětného napětí.

Uveďme vysvětlující ilustraci (obr. 1.19), kde použijeme notaci:

Q je prostorový náboj v polovodičové vrstvě n;

u je vnější napětí přivedené na spojení p - n.

Nechť f značí funkci popisující závislost Q na u. V souladu s výše uvedeným

V praxi matematického modelování (a v manuálních výpočtech) je to pohodlné, a proto je obvyklé používat ne tento výraz, ale jiný, který z toho získáme v důsledku diferenciace. V praxi je široce používána takzvaná bariérová kapacita C 6ap p-n-křižovatky a podle definice C 6ap \u003d | dQ / du | Nakreslíme grafy pro sloupec Q (obr. 1.20) a C (obr. 1.21).

Fenomén vzniku a změny vesmírného náboje nerovnovážných nosičů elektřiny. Difuzní kapacita.

Pokud externí zdroj posune křižovatku p-n dopředu (u\u003e 0), začne injekce (emise) - tok menšinových nosičů elektřiny do uvažované polovodičové vrstvy. V případě asymetrického pn spojení (což se obvykle stává v praxi) hraje hlavní roli vstřikování z vysílače do základny.

Dále předpokládáme, že spojení je asymetrické a že emitorem je vrstva p a základnou je vrstva n. Potom je injekce příchod otvorů ve vrstvě n. Důsledkem injekce je výskyt otvorů v základně vesmírného náboje.

Je známo, že u polovodičů existuje fenomén dielektrické relaxace (Maxwellova relaxace), který spočívá ve skutečnosti, že výsledný prostorový náboj je téměř okamžitě kompenzován nábojem blížících se volných nosičů jiného znaménka. K tomu dochází v čase řádově 10 - 12 s nebo 10 - 11 s.

V souladu s tím bude náboj otvorů vstupujících do základny téměř okamžitě neutralizován stejným elektronovým nábojem v modulu.

Používáme notaci:

Q je prostorový náboj nerovnovážných nosičů v základně;

u je vnější napětí přivedené na spojení p - n;

f je funkce popisující závislost Q na u.

Uveďme vysvětlující obrázek (obr. 1.22).

V souladu s výše uvedeným Q \u003d f (u) V praxi je vhodné a obvyklé používat ne tento výraz, ale jiný výraz získaný z tohoto v důsledku diferenciace. V tomto případě se používá koncept difúzní kapacity C diff p-n-křižovatky a podle definice C diff \u003d dQ / du Kapacita se nazývá difúze, protože uvažovaný náboj Q je základem difúze nosičů v základně.

C dif je vhodné a obvyklé popisovat nikoli jako funkci u, ale jako funkci aktuálního spojení i-n.

Samotný náboj Q je přímo úměrný proudu i (obr. 1.23, a). Na druhé straně i exponenciálně závisí na u (odpovídající výraz je uveden výše), takže derivace di / du je také přímo úměrná proudu (pro exponenciální funkci je její derivace větší, tím větší je hodnota funkce) . Z toho vyplývá, že kapacita Cdif je přímo úměrná proudu i (obrázek 1.23.6):

Cdif \u003d i · τ / φt, kde φt je teplotní potenciál (definovaný výše);

τ je průměrná doba letu (pro tenká základna), nebo životnost (pro silnou základnu).

Průměrná doba letu je doba, během které vstřikované nosiče elektřiny procházejí základnou, a životnost je doba od vstřikování nosiče elektřiny do základny po rekombinaci.

Celková kapacita křižovatky p-n.

Tato kapacita C per se rovná součtu uvažovaných kapacit, tj. C per \u003d C bar + C diff.

Při zpětném posunutí přechodu (u< 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно С бар < С диф.

Nerektivní kontakt kov-polovodič.

Pro připojení externích vodičů v diodách se používají takzvané nerektivní (ohmické) kovové polovodičové kontakty. Jedná se o takové kontakty, jejichž odpor prakticky nezávisí na polaritě ani velikosti vnějšího napětí.

Získání neusměrňujících kontaktů není o nic méně důležité než získání p-n spojení. U křemíkových zařízení se jako kontaktní kov často používá hliník. Vlastnosti kontaktu kov-polovodič jsou určeny rozdílem mezi pracovními funkcemi elektronu. Pracovní funkcí elektronu z pevné látky je přírůstek energie, který musí dostat elektron na úrovni Fermiho, aby opustil toto tělo.

Označme pracovní funkci pro kov přes A m a pro polovodič - přes A p. Vydělením pracovní funkce elektronovým nábojem q získáme odpovídající potenciály:

φ m \u003d A m / q, φ n \u003d A n / q

Představme si takzvaný rozdíl kontaktního potenciálu φ mn:φ mn\u003d φ m -φ n

Pro jistotu se podívejme na kovový polovodičový kontakt typu n. Pro získání neusměrňujícího kontaktu musí být splněna podmínka φ mn< 0. Изобразим соответствующие зонные диаграммы для неконтактирующих металла и полупроводника (рис. 1.24).

Jak vyplývá z diagramu, energetické úrovně v polovodiči odpovídající vodivému pásmu jsou méně obsazené než v kovu. Proto po spojení kovu a polovodiče se část elektronů přenese z kovu do polovodiče. Tím se zvýší koncentrace elektronů v polovodiči typu n.

Vodivost polovodiče v kontaktní oblasti se tedy zvýší a vrstva ochuzená o volné nosiče bude nepřítomná. Tento jev je důvodem, že kontakt bude neopravitelný. Pro získání neusměrňujícího kontaktu kov-polovodič typu p je podmínka φmp\u003e 0

STRANA 7

Přednáškový kurz Technická elektronika

Přednáška 1

ÚVOD

Přítomnost informační společnost (společnost, ve které se více než 50% populace podílí na shromažďování, uchovávání, analýze, přerozdělování, prezentaci a poskytování informací) se objevila na konci roku 20th století, nejprve v USA a poté v dalších oblastech planety díky vývoji polovodičových součástek (diody, tranzistory1 ) a jejich následná miniaturizace v integrované obvody (JE). V takové společnosti jsou hlavním spotřebitelským produktem informace, jak je patrné z prevalence internetu, softwarové produkty, film a média.

Polovodičová zařízení se vyrábějí z polovodičových materiálů, zejména z křemíku, germania, arsenidu gália a křemíková zařízení tvoří ~ 97% všech polovodičových zařízení.

1. Vlastnosti polovodičů

1.1 Obecná ustanovení

Polovodič - materiál, který z hlediska své vodivosti zaujímá mezilehlé místo mezi vodiči a dielektrikem a liší se od vodičů silnou závislostí vodivosti na koncentraci nečistot, teplotě a expozici odlišné typy záření. Hlavní vlastnost polovodiče jezvýšit elektrická vodivost se zvyšující se teplotou.

Poslední nemovitost objevena vXIX století to bylo nepochopitelné z hlediska klasické fyziky, ve které byly elektrony představovány jako nosiče nabitých částic elektrický náboj ve formě elektrického toku (proudu) těchto částic skrz krystalovou mřížku pevné látky, zažívající odpor vůči jejímu pohybu oscilační kostrou atomů mřížky. Kromě toho by se odpor měl zvyšovat se zvyšující se teplotou v důsledku zvyšujících se vibrací atomů krystalové mřížky, a ne naopak jako v polovodiči.

S formulací kvantové mechaniky v roce 1926, jako nové teorie pro popis mikrosvěta (atomy a jejich kombinace), se však situace začala vyjasňovat. V souladu s kvantovou mechanikou měl elektron v atomu vlnové vlastnosti, jeho chování bylo popsáno vlnovou rovnicí (Schrödingerova rovnice) a jeho energie závisela na okrajových podmínkách uložených na „elektronové vlně“ Coulombovou interakcí s atomovým jádrem . Tato situace je podobná vibracím struny připojené k hmatníku. hudební nástroj s určitým napětím. V tomto případě má struna určitou frekvenci vibrací (tón, podtón), která závisí pouze na napínací síle (okrajové podmínky). Jiné frekvence (a tedy i energie) nelze realizovat nainstalovaný systém... Pro atom to znamená, že elektron v atomu a podle toho samotný atom má přísné spektrum povolených energií (stavů) a zakázaných energií. Pokud jsou takové atomy sloučeny do mřížky pevné látky, pak v závislosti na typu atomů a typu mřížky lze výslednou množinu charakterizovat přítomností zakázaných energetických stavů, které nelze získat elektrony, i když jsou odděleny od konkrétního atomu mřížky. Jinými slovy, aby se elektron mohl pohybovat v elektrickém poli, musí se odpojit od atomu a překonat energetickou bariéru rovnající se šířce zakázané zóny. U izolátorů je taková zóna velmi velká (desítky elektronvoltů), u kovů taková zóna obecně chybí.

Polovodiče jsou látky s pásmovou mezerou řádově několika elektronvoltů (eV). Například diamant lze klasifikovat jako polovodič s velkou mezerou, zatímco arsenid india je klasifikován jako polovodič s úzkou mezerou. Polovodiče zahrnují mnoho chemických prvků (germanium, křemík, selen, tellur, arsen a další), obrovské množství slitin a chemických sloučenin (arsenid galia atd.). Téměř všechny anorganické látky na světě kolem nás jsou polovodiče. Nejrozšířenějším polovodičem v přírodě je křemík, který tvoří téměř 30% zemské kůry.

Vodivost polovodičů je vysoce závislá na teplotě. V blízkosti absolutní nulové teploty mají polovodiče vlastnosti dielektrika. Jak teplota stoupá, některé atomy (elektrony v atomech) mohou přijímat energii, která přesahuje vazebnou energii s mřížkou, a poté, co překonají energetickou bariéru, se nosiče náboje mohou pohybovat v mřížce a vytvářet určitou vodivost. Se zvyšující se teplotou se počet těchto nosičů zvyšuje a zvyšuje se také vodivost,a teplotní závislost koncentrace volných nosičů je exponenciálnía exponent je pásmová mezera. Takto kvantová mechanika vysvětlila vlastnosti polovodičů.

Zakázaná zóna se nachází v energetických souřadnicích mezi vodivou zónou E2 s (energetická oblast, ve které může probíhat pohyb elektronů) a valenční pásmo Eproti (energetická oblast, kde jsou všechny elektrony vázány na atomy mřížky a nemohou se pohybovat podél mřížky), a je určena energetickým rozdílem mezi Ec a E v, tj. Eg \u003d Ec - E v , jak je znázorněno na obrázku 1.1 Je zřejmé, že se zvýšením hodnoty Eg počet elektronů spojených s atomy, ale schopných přijímat energii k překonání potenciální bariéry Eg klesá.

U křemíku hodnotaNapř při pokojové teplotě je 1,1 eV, pro germanium - 0,6 eV, pro arsenid galia (GaAs) - 1,5 "eV.

Během přerušení vazby mezi elektronem a jádrem se v elektronovém obalu atomu objeví volné místo. To způsobí přechod elektronu z jiného atomu na atom s volným prostorem. Na atom, ze kterého elektron prošel, vstupuje další elektron z jiného atomu atd. Tento proces je způsoben kovalentními vazbami atomů. Kladný náboj se tedy pohybuje bez pohybu samotného atomu. Tento podmíněný kladný náboj se nazývá díra. Můžeme říci, že změnu stavu množiny elektronů ve valenčním pásmu lze představovat jako pohyb kladného náboje s určitou účinnou hmotoum p.

Soubor volných elektronů ve vodivém pásmu lze přirovnat k elektronovému plynu uzavřenému v nádobě tvořené vnějšími okraji krystalu. Vlastnosti elektronů v takové nádobě se liší od vlastností elektronů ve volném prostoru - vakuu, v důsledku přítomnosti mnoha stacionárních atomů - mřížových míst v takové „nádobě“. Jedním z těchto rozdílů je, že dynamika pohybu elektronů v „nádobě“ (pohyb nosičů působením síly - elektrického pole) je charakterizována jinou hmotou, odlišnou od pohybu elektronů ve vakuu , a nazývá se efektivní hmotamě , což je méně než hmotnost elektronu ve vakuu.

Polovodiče, ve kterých se v procesu ionizace atomů objevují volné elektrony a „díry“, z nichž je sestaven celý krystal, se nazývají polovodiče svlastní vodivost. V polovodičích s vnitřní vodivostí se koncentrace volných elektronů rovná koncentraci „děr“. Takové polovodiče se k výrobě polovodičů používají velmi zřídka.

Chcete-li vytvořit polovodičová zařízení, krystaly snečistota vodivost. Takové krystaly se vyrábějí zavedením nečistot do atomů trojmocného nebo pětimocného chemického prvku. V čtyřmocném polovodiči (například křemíku) se přidává nečistota pětimocného polovodiče (například arsenu). V průběhu interakce vstupuje každý atom nečistoty do kovalentní vazby s atomy křemíku. Pro pátý elektron atomu arsenu však v nasycených valenčních vazbách není místo a přechází do vzdáleného elektronového obalu. Tam je zapotřebí méně energie k oddělení elektronu od atomu. Elektron se odlomí a uvolní se. V v tomto případě přenos náboje se provádí elektronem, nikoli dírou, to znamená, že tento typ polovodičových vodičů elektřina jako kovy. Nečistoty, které se přidávají do polovodičů, aby se z nich staly polovodiče typu n, se nazývajídárce ... Pokud se do čtyřmocného polovodiče přidá malé množství atomů trojmocného prvku (například boru). Každý atom nečistoty tvoří kovalentní vazbu se třemi sousedními atomy křemíku. K navázání vazby se čtvrtým atomem křemíku nemá atom boru valenční elektron, takže zachycuje valenční elektron z kovalentní vazby mezi sousedními atomy křemíku a stává se záporně nabitým iontem, v důsledku čehož se vytvoří díra . Nečistoty, které se v tomto případě přidají, se nazývajíakceptor

Jakýkoli atom nečistoty je v křemíkové mřížce cizí a jedná se o poruchu uspořádané struktury mřížky, která se projevuje jako povolený energetický stav v mezeře pásma a je definována jako úroveň nečistoty. Úroveň dárce je definována jako neutrální, když je naplněna elektronem a kladně nabitá, když je prázdná (atom nečistoty je ionizován). Hladina akceptoru je v prázdném stavu neutrální a při plnění elektronem je záporně nabitá.

Uvolnění elektronu z donorové úrovně nebo zachycení elektronu akceptorovou úrovní vyžaduje trochu další energie, takže odpovídající atomy jsou zpravidla ionizovány při teplotě místnosti, což určuje hlavně koncentraci volných nosičů v takových polovodič. Tato situace naznačuje, že úroveň dárce je velmi blízko k okraji vodivého pásma Ez a také blízké umístění úrovně akceptoru k okraji valenčního pásma Eproti ... V tomto případě se mluví o „malých“ úrovních. Jejich aktivační energie je mnohem menší než aktivační energie elektronů ve valenčním pásmu E.g.

Pokud existuje mnoho center nečistot a všechna jsou ionizována při teplotě místnosti, pak je elektrická vodivost takového polovodiče při prakticky jakékoli teplotě prakticky nezávislá na generování vnitřních nosičů, protože je jich méně než center nečistot. polovodič se chová jako kov (ve smyslu elektrické vodivosti) a mluví o němzdegenerovaný polovodič.

Přednáška 2

polovodičové vlastnosti

2.1 Koncentrace nosiče

Povolené zóny obsahují obrovské množství úrovní (1022 - 10 23) cm -3 každý z nich může obsahovat elektrony. Skutečný počet elektronů v povoleném pásmu závisí na koncentraci a teplotě dárce. Pro odhad skutečné koncentrace nosných látek v polovodiči je třeba znát rozdělení úrovní a pravděpodobnost naplnění těchto úrovní.

U polovodičů s nízkou koncentrací nosiče (klasické polovodiče) pravděpodobnostF n naplnění hladiny energií E ve vodivém pásmu je dáno distribucí Maxwell-Boltzmann:

, (2.1)

kde E F je Fermiho energie 3 (nebo elektrochemický potenciál), který lze charakterizovat jako energetickou hladinu, jejíž pravděpodobnost naplnění je 1/2. (Můžeme předpokládat, že všechny úrovně v zakázané zóně, které jsou pod úrovní Fermi, jsou naplněny elektrony a ty, které jsou vyšší, neobsahují elektrony).

Pokud označímeN (E. ) hustota úrovně ve vodivém pásmu poblíž úrovně E, potéN (E)  E představuje počet úrovní v rozsahu E ... Vynásobením této částky pravděpodobností naplnění úrovněF n , získáme koncentraci volných elektronů v rozsahu E ... Celková koncentrace volných elektronůn získáme sečtením (integrací) po celé šířce pásma vodivosti4: (, kde E c a E nahoře - energie dna a stropu vodivé zóny,N (E. ) Je hustota stavů na jednotku energetického intervalu). Po dokončení tohoto postupu získáme:

, (2.2а)

kde N c je efektivní hustota stavů ve vodivém pásmu.

Výraz pro koncentraci díry se získá podobným způsobem:

... (2.2b)

kde N V je efektivní hustota stavů ve valenčním pásmu

Vynásobením levé a pravé strany ve vzorcích (2.2) dostaneme:

(2.3)

Je vidět, že při konstantní teplotě je produkt koncentrací konstantní hodnotou, tj. zvýšení jedné z koncentrací je doprovázeno poklesem druhé.

Ve vlastním polovodiči jsou koncentrace elektronů a děr stejné. Jsou označenyn i a nazývají se jejich vlastními koncentracemi. Dodánímn \u003d n i ap \u003d n i v (3) získáme výraz pro vnitřní koncentraci.

(2.4)

Je vidět, že vnitřní koncentrace exponenciálně závisí na teplotě a mezeře pásma.

Z (3) a (4) vyplývá: (2.5)

Uvažujme podrobněji úroveň Fermi. K tomu definujeme poměr koncentrace pomocí výrazu (2.2), předpokládáme pro jednoduchostN c \u003d N v:

, (2.6)

Hodnotu dosadíme na levou stranu (2.6)p \u003d n i 2 / n z (2.5) a logaritmu obou stran, pak bude úroveň Fermiho zapsána z hlediska koncentrace volných elektronů:

(2.7a)

dosadíme-li (6) hodnotun \u003d n i 2 / str , úroveň Fermiho bude zapsána z hlediska koncentrace díry:

(2,7 b)

Všimněte si, že množství představuje střed mezery v pásmu. Druhý člen ve výrazech (2.7) je energie ze středu zakázaného pásma do polohy úrovně Fermi a ten určuje koncentraci volných nosičů v polovodiči -n - z výrazu (2.7a) a -p - z výrazu (2.7b). Můžete to také napsat

(2,7c)

Z výrazů (2.7) můžeme vytvořit následující závěry:

Ve vlastních polovodičích, ve kterýchn \u003d p \u003d n i úroveň Fermi je umístěna uprostřed mezery pásma;

V elektronických polovodičích, ve kterýchn\u003e n i hladina Fermiho leží v horní polovině mezery pásma a čím vyšší, tím vyšší je koncentrace elektronů;

V dírových polovodičích, pro kterép\u003e n i hladina Fermi leží v dolní polovině mezery pásma a čím nižší, tím vyšší je koncentrace díry;

Se zvyšující se teplotou, kdy exponenciálně zvyšuje hodnotun i (viz (2.4)) a začne porovnávat a poté překračovat hodnotun a polovodič nečistot se změní na svůj vlastní a úroveň Fermiho se posune do středu mezery pásma;

druhý člen ve výrazech (2.7) charakterizujících koncentraci nosiče se nazývá chemický potenciál, Ei - elektrický potenciál, odtud název - elektrochemický potenciál.

Jedno ze základních ustanovení ve fyzice polovodičů je formulováno takto:fermiho hladina je stejná ve všech částech rovnovážného systému, bez ohledu na to, jak heterogenní je.

Pokud bychom skutečně vzali polovodič s nehomogenní distribucí dopantu, pak by na začátku byly oblasti s různými koncentracemi nosičů a podle toho s gradientem úrovně Fermiho. Tito nosiči by začali přerozdělovat kvůli koncentračnímu gradientu před nastolením rovnováhy (což ve skutečnosti vždy pozorujeme), ale to by vedlo k vytvoření elektrických polí v důsledku výskytu nekompenzovaných center nečistot. Nakonec bude gradient chemického potenciálu kompenzován gradientem elektrického potenciálu a výsledný gradient úrovně Fermi bude nulový.

2.2 Přepravní jevy (elektrická vodivost)

K pohybu volných nosičů v polovodiči dochází působením gradientů. Jedná se zpravidla o koncentrační gradienty (a v důsledku toho o difúzi nosiče) a gradienty elektrického potenciálu, který vytváří elektrické pole. Pohyb v elektrickém poli se nazývá drift. Hustota driftového prouduj v poli E je stanovenoohmův zákon:

, (2.8)

kde je specifická elektrická vodivost, navíc kde - odpor.

Elektrická vodivost určeno koncentrací nosičů a mobilitou. Jelikož v polovodičích existují dva typy mobilních nosičů, vodivost se skládá ze dvou složek - elektronu a otvoru:

, (2.9)

kde  n a  p je pohyblivost odpovídajících nosných, q je základní elektrický náboj (1,602 10−19 ° C).

Elektrická vodivost je zpravidla určena těmi nosiči, kterých je více například v polovodičin -typ - určený elektrony.

Mobilita je definována jako průměrná rychlost driftu nosných v jednotkovém poli, tj. při E \u003d 1 volt / cm nebo jako koeficient proporcionality mezi průměrnou rychlostí a elektrické pole:

(2.10)

Pod působením elektrického pole se nosiče pohybují v mřížce se zrychlením v intervalech mezi srážkami s mřížovými místy, nečistotami a strukturálními vadami, tj. zažívá rozptyl. Po každé srážce musí nosič znovu načíst rychlost. Výsledkem je, že jeho pohyb lze popsat průměrnou rychlostí úměrnou síle elektrického pole, jak je znázorněno ve výrazu (2.10).

Vzhledem k tomu, že mobilita je spojena s rozptylem nosičů nečistotami, je přirozené pozorovat její pokles s rostoucí koncentrací nečistot, což ukazuje obrázek 2.1.

Rozměr mobility je cm² / (V · s). Hodnota mobility závisí nejen na koncentraci, ale také na orientaci krystalografických oblastí a zvyšuje se se směry<110>  <100>  <111>.

V přítomnosti gradientu koncentrace nosiče nebo, kden 0 a p 0 - rovnovážná koncentrace nosičů v p / pn nebo typu p, pohybují se ve směru snižování tohoto gradientu, takže aktuální hustotaJ definováno jako:

, (2.11 )

kde D n a D p - difúzní koeficienty elektronů a děr spojené s pohyblivostí podle Einsteinova vztahu:

(2.11a)

Takže celkový proud, určený přítomností elektrického pole E a gradienty koncentrace nosiče, je určen s přihlédnutím k (2.8) a (2.9) výrazem:

, (2.12а)

(2.12b)

výrazy (2.12) lze přepsat pro jednorozměrný případ:

(2.13a)

(2.13b)

2.3 Rekombinace

Pokaždé, když se v polovodiči objeví nerovnovážné nosiče apn\u003e n i 2 , ke kterému dochází, když je p / p vystaveno elektromagnetickému záření nebo vstřikování dalších nosičů do něj, začnou se projevovat kinetické procesy, kterými systém dospívá k termodynamické rovnováze. Nerovnovážné (další) nosiče, například elektrony, jsou odstraněny z vodivého pásma jejich zachycením atomy mřížky, které dříve ztratily elektron. V tomto případě dochází ke vzájemnému zničení volných nosičů, elektronů i otvorů, a jejich přechodu do vázaného stavu. Dochází také k zachycení volného elektronu středem pasti (jedná se zpravidla o atomy kovů nebo defekty uspořádané struktury, které vytvářejí povolené stavy v zakázaném pásmu polovodiče). takových center může být několik, jak ukazuje obrázek 2.2.

V procesech rekombinace je energie absorbována mřížkou s emisí fotonu (to je případ arsenidu gália), nebo je energie absorbována jinými nosiči (Augerova rekombinace).

Procesy zachycení nosiče centry pasti mohou být doprovázeny procesy uvolnění (emise) nosiče těmito centry, tj. generace dopravců.

Procesy generování rekombinace nosičů byly studovány mnoha vědci ve 20. století. Podle teorie Shockley-Reed-Hall je míra rekombinaceU (s m -3 s -1 ) je maximální v případě, že je úroveň rekombinace umístěna blízko středu mezery pásma.

Při nízkých úrovních injekce, kdy je koncentrace přebytečných nosičů n ( p) je mnohem menší než koncentrace většinových nosičů, proces rekombinace je popsán výrazem:

, (2.14)

kde p n 0 - koncentrace rovnovážných menšinových nosičů, str životnost menších dopravců. Kromě toho je životnost menšinových nosičů určena koncentrací center pastíN t , tepelná rychlost nosičů. Th , sekce snímání stanovení mechanismu interakce mezi nosičem a středem pasti. Pro p / pp - typ:

Pro p / n n - typ (2.15)

(2.16)

Typickým příkladem takových center je zlato v křemíku, které je začleněno do křemíku k vytvoření rychlých přepínačů.

Přednáška 3

Přechody elektronových děr

Kombinace dvou polovodičových vrstev s odlišné typy vodivost má usměrňovací nebo ventilové vlastnosti: prochází proudem mnohem lépe v jednom směru než v druhém. Způsob získání spojení implantovaného ionty je uveden na obrázku 3.1.

Jak je patrné z obrázku, pro výrobu P+ n dioda, musíte si vzít polovodičTyp N + (křemík č + typ), vytvořte lehce dotovanou epitaxní vrstvun - typ, poté oxidujte povrch, otevřete konkrétní místo v oxidu, proveďte iontovou implantaci nečistoty typu P (bór), poté vytvořte metalizaci do oblasti typu P + a na zadní stranu substrátu jako kontaktní plochy . Ve výsledku získáme ostrý asymetrický ostrýpn přechod, ve kterém je vysoce legovaná oblast P + a nízkolegovanán region, jak je vidět na levé straně obrázku 3.2, což lze interpretovat jako velmi ostrou hranici mezi regiony a rovnoměrné rozdělení nečistot vn - a p- oblasti, jak je znázorněno na pravé straně obrázku 3.2

(zpravidla se uvažuje o „plynulém přechodu“, při kterém koncentrace nečistot na rozhranín a p - typ se mění lineárně se vzdáleností)

Otvory z vrstvy typu P + difundují do oblasti s nízkou dotacín - typ. Navíc ve vrstvěn -typ v blízkosti metalurgické hranice (oblast, kde jsou koncentrace otvorů a elektronů stejné) budou přebytečné díry. Budou rekombinovat s elektrony, dokud nebude splněna rovnovážná podmínka (2.5). V souladu s tím se sníží koncentrace elektronů v této oblasti a "vystaví se" nekompenzované kladné náboje atomů dárce. Nalevo od metalurgické hranice jsou „odkryty“ nekompenzované záporné náboje akceptorových atomů, ze kterých otvory odešly (viz obr. 3.3).

Je možné poznamenat, že v jednosměrném průchodu, tj. , kde, jako v posuzovaném případě, byla koncentrace otvorů v P-oblasti pp0 je mnohem vyšší než koncentrace elektronů vN - oblasti n n 0 nebo р р0 \u003e\u003e n n 0 pohyb elektronů je mnohem menší.

Oblast vesmírných nábojů se nazývá depleční vrstva, což znamená prudce sníženou koncentraci volných nosičů v obou jejích částech a je jich tak málo, že je lze při analýze přechodu zanedbávat. Vzhledem k malému počtu volných nosičů lze oblast vyčerpání považovat za část s nejvyšší odolností celé struktury diod.

Přechod je obecně neutrální: kladný náboj na pravé straně se rovná zápornému náboji na levé straně. Hustoty náboje jsou však výrazně odlišné (kvůli rozdílu v koncentraci nečistot). Proto jsou délky vyčerpaných vrstev různé: ve vrstvě s nižší koncentrací nečistot (v našem případě vn - vrstva), oblast vyčerpaného náboje je mnohem širší. V tomto případě platí tvrzení, že „asymetrický přechod je koncentrován ve vrstvě s vysokou odolností.

Přítomnost nábojů v ochuzené oblasti vede k vzniku elektrického pole, jak je znázorněno na obrázku 3.4

Rovnovážný proud (bez vnějšího napětí) ve spojine toky (neexistují mobilní nosiče), kvůli absenci gradientu elektrochemického potenciálu (Fermiho hladinaE F ), jak je znázorněno na obrázku 3.5:

Obrázek 3.5 ukazuje, že na pravé straně úrovně FermiE F blízko okraje vodivého pásma EC č - typ a na levé straně FermiE F blízko okraje valenčního pásma Eproti , což znamená, že se jedná o oblastP - typ. Stálost úrovně Fermi v celém objemu vede k ohýbání pásempn přechod k hodnotěV bi , kterému se říká rozdíl kontaktního potenciálu.

Z obrázku 3.5 vyplývá, žeV bi je rozdíl mezi úrovněmi Fermiho nespojených polovodičůn - typ a typ p. Poté s přihlédnutím k výrazům (2.7) dostaneme:

(3.1)

Vzhledem k tomu, že koncentrace elektronů vn - oblasti n n 0 je určována hlavně koncentrací plně ionizovaných dárcůN D, a koncentrace otvorů v P-oblastip p 0 je určena koncentrací plně ionizovaných akceptorůN A, píšeme:

(3.2)

Pro typický případ, kdyNA \u003d 10 19 cm -3 a N D \u003d 10 16 cm -3, k \u003d 1,3710-23 J / C , q \u003d 1,610 - 19 CL, rozumímeV bi \u003d 0,83 B - toto je rozdíl kontaktního potenciálu během formováníkřižovatka pn.

V tepelné rovnováze je elektrické pole v neutrálních částech polovodiče nulové. Proto se celkový záporný náboj na jednotku plochy v p-oblasti rovná celkovému kladnému náboji na jednotku plochy vn - oblasti:

, (3.3)

Zde xn a x p - velikost vyčerpaných oblastí.

Vypočítat velikost elektrického pole E (x) ve vyčerpané oblasti a jeho délkux n + x str použijeme rovnici vztahující se k rozdělení potenciáluV s nábojem  - jednorozměrná Poissonova rovnice:

, (3.4)

kde je je dielektrická konstanta polovodiče, s \u003d  0 , kde  0 - dielektrická konstanta vakua 0 \u003d 9 * 10-14 F / cm,  je relativní dielektrická konstanta polovodiče (pro křemík) = 11,9).

Obecně platí, že hustota náboje v polovodiči je napsán takto:

kde a jsou koncentrace ionizovaných nečistot.

Pro region č - typ lze psát:

, (3,5а)

pro oblast p:

(3,5 b)

Integrace výrazu (3.5b) přes x v rozsahu od x \u003d 0 do x \u003d xp získáme rozdělení intenzity elektrického pole v oblasti vyčerpání typu p:

(3.6a)

podobně pro výraz (3.5а) získáme:

(3.6b)

Získali jsme lineární rozdělení elektrického pole v oblasti vyčerpání, které je znázorněno na obrázku 3.4. Vidíte, že při x \u003d 0 nabývá elektrické pole maximální hodnoty:

(3.7)

S ohledem na (3.7) lze vyjádřit (3.6b) jako

Získali jsme kvadratické rozdělení potenciálu, které je znázorněno na obrázku 3.6

Rovnání hodnotV (x) při x \u003d 0 a při zohlednění V p - V n \u003d V bi dostaneme:

Nebo s přihlédnutím k (3.7) píšeme

nebo (3,8)

Kde W je celková šířka vyčerpané oblasti.

Určme vztah mezi šířkou oblasti vyčerpání a koncentracemi nečistot na obou stranáchkřižovatka pn.

Od (3.8) s přihlédnutím k (3.7) píšeme:

A:

Přesuňte x na x p napravo a přidejte oba výrazy:

Protože x n + x p \u003d W, pak vyjádříme W:

(3.9)

Pro asymetrický přechod, ve kterémN A  N D lze psát:

(3.10)

tj. šířka pn přechod je určen koncentrací nečistot v oblasti s vysokou odolností.

Za předpokladu V bi \u003d 0,83 B a N D \u003d 10 16 cm-3, dostaneme za křemíkW  x n  0,3 μm

Vzhledem k použitému zpětnému napětíV na pn přechod, můžeme napsat:

(3.11)

ty. šířka přechodu se zvyšuje s napětím.

Přednáška 4

Charakteristika proudového napětí křižovatky p-n

Výraz pro voltampérovou charakteristiku lze vypočítat na základě některých z následujících předpokladů: 1) aproximace vyčerpané vrstvy s ostrými hranicemi, tj. rozdíl kontaktního potenciálu a aplikované napětí vyvážené nabitými vrstvamin - a typ p, mimo který je polovodič považován za neutrální; 2) Boltzmannova aproximace, tj. v vyčerpané oblasti jsou platná Boltzmannova rozdělení, která vedou k výrazům (2.7); 3) aproximace nízká úroveň injekce, tj. když je hustota injektovaných nosičů nízká ve srovnání s koncentrací většinových nosičů; 4) absence generačních proudů v ochuzené vrstvě a stálost proudů elektronů a děr protékajících touto vrstvou.

Transformační výrazy (2.7) najdeme:

(4.1a)

, (4.1b)

kde  a  - potenciály odpovídající středu mezery v pásmu a úrovni Fermi ( \u003d  E i / q,  \u003d  E F / q ). (Pro jednotlivé polovodičen - a úroveň Fermi typu E typu pF každý má svůj vlastní). Ve stavu tepelné rovnováhy je produktnp se rovná n i 2 ... Ale když je na křižovatku přivedeno napětí na obou jeho stranách, koncentrace minoritních nosičů se mění v důsledku vstřikování z obou stran křižovatky a produktunp se již nerovná n i 2 ... Jakmile protéká proud, není úroveň Fermiho struktury stejná a hodnoty získaných úrovní (úrovně kvazi-Fermiho) jsou určeny z výrazů:

(4.2a)

, (4.2b)

kde  n a  p - kvazi-Fermiho hladiny (potenciály) pro elektrony a díry. Pojďme je vyjádřit:

(4.3a)

, (4,3 b)

Z (4.2) najdeme (4.4)

Pro předpětí p -  n)\u003e 0 a pn\u003e n i 2 , a s obráceným předpětím ( p -  n)< 0 и pn < n i 2 .

k určení proudu použijeme výraz (2.13)

(vezměte v úvahu, že E  )

Zastupujeme a bereme v úvahu (4.2а) \u003d.

Gradient potenciálu. S ohledem na to.

Ty. dostali jsme elektronový proudJ n:

(4.5)

Podobně pro proud díry máme:

(4.6)

Zjistili jsme, že proudové hustoty elektronů a otvorů jsou úměrné gradientům úrovní kvazi-Fermiho elektronů a otvorů. Ve stavu tepelné rovnováhy \u003d 0 a Jn \u003d J p \u003d 0.

Pásový diagram s úrovněmi kvazi-Fermiho, distribucí potenciálu a koncentrací nosiče ve spojení jsou zobrazeny na obrázku 4.1.

Rozdíl v elektrostatickém potenciálu zapnutpn přechod je určen hodnotou

(4.7)

Pro koncentraci elektronů v p-oblasti na hranici přechodu na x \u003d x str lze zapsat pomocí (4.7) a (4.4):

, (4.8)

kde n p 0 - rovnovážná koncentrace elektronů v p - oblasti

Podobně

(4.9)

p n je koncentrace děr vn - oblasti na hranici ochuzené vrstvy v x \u003d xn a p n 0 je rovnovážná koncentrace otvorů vn - oblasti.

Poslední výrazy použijeme k určení vztahu mezi proudem a napětím.

K tomu použijeme následující koncepty toku proudu. Otvory padající vyčerpanou oblastí do p / pn - typ rekombinace s elektrony během jejich životnosti str , takže rychlost rekombinaceU bude stejné

Tento vstřikovací proud na hranici vyčerpané oblasti při x \u003d xn , kde je elektrické pole nulové (viz obr. 3.4), je určeno difúzí otvorů změnou gradientu koncentrace otvorů vn oblasti, takže můžete napsat:

(4.10)

Rovnice (4.10) je rovnice kontinuity v nepřítomnosti elektrického pole a v konstantním stavu proudu (stacionární stav). Nazývá se také difúzní rovnice. Levou stranu lze skutečně interpretovat jako změnu koncentrace otvorů v čase a pravou stranu jako přerozdělení otvorů ve stejném objemu, kde se koncentrace mění. Takto probíhá difúze.(Fickův druhý zákon pro šíření).

Protože , píšeme:

Nebo (4,11)

Všimněte si, že; L - je difúzní délka, která charakterizuje vzdálenost, kterou nosič urazí během své životnosti před rekombinací.

Stacionární rovnice (4.11) je obyčejná lineární rovnice druhá objednávka. Jeho řešením je součet exponentů:

Všimněte si, že koncentrace přebytečných nosičů pro x \u003d, tj.  p ( ) \u003d 0, tedy koeficient prvního členu A1 \u003d 0. Pro x \u003d x n A 2 \u003d  p (x n), tedy:

Vzhledem k tomu.  p (x n) \u003d p n (4,9) dostaneme:

(4.12)

Vezmeme-li v úvahu (2.11) pro x \u003d xn (když pole E \u003d 0) je proudová hustota díry

(4.13)

(Při odvozování vzorce (4.13) jsme to vzali v úvahu.))

Podobně, s ohledem na p-oblast, získáme hustotu elektronového proudu

(4.14)

Celkový proud procházející křižovatkou se rovná součtu proudů (4.13) a (4.14):

, (4.15)

Kde + (4,16)

Výrazy (4.15-4.16) představují známý Shockleyův vzorec popisující charakteristiku proudového napětí ideální diody (obrázek 4.2)

S dopředným zkreslením (použití kladného napětí na p-oblast) naV\u003e 3 kT / q sklon ideální přechodové charakteristiky je konstantní, jak je patrné z obr. 4.2b as obráceným předpětím aktuální hustota nasycuje a stává se rovnouJ s.

Při oslabení předpokladů učiněných na začátku přednášky, pod kteroupn přechodová, přední a zadní větev charakteristiky I - V se liší od ideálních vět popsaných výrazy (4.15) a (4.16).

Přednáška 5

vlastnosti spojení pn

5,1 VAC versus teplota

Zvažte vliv teploty na hustotu proudu nasyceníJ s ... Zvažte první výraz ve výrazu (4.16). (druhý člen je podobný prvnímu a v případě ostré asymetriepřechod pn, když N p \u003e\u003e N d nebo p n 0 \u003e\u003e n p 0 druhý termín lze obecně zanedbávat). Všechna veličina ve výrazu (4.16) závisí na teplotě. To lze ukázatD str závisí na teplotě jako T3/2, D p /  str související s teplotou jako T(3+ ) / 2, kde  je konstanta.

Transformujeme J s z (4.16), vyjádříme p n 0 \u003d n i 2 / n n 0 a pomocí výrazu pron i (2.4):

(5.1)

Teplotní závislost účiníku T(3+  )/2 mnohem slabší než exponenciální.Závislost sklonlnJ s od 1 / T je přímka a její sklon je určen bandgapNapř pokud neexistuje žádný jiný mechanismus pro ovládání zpětného proudu křižovatky.

5.2 Bariérová kapacita

Specifická kapacita bariérypn přechod je určen výrazem C. dQ c / dV, kde Q c - přírůstek hustoty náboje způsobený dostatečně malým přírůstkem aplikovaného napětí.

U asymetrického náhlého přechodu se šířka vyčerpané oblasti změní, když se použije napětíV jako

(v porovnání s (3.11)) (5.2)

Poplatek vyčerpané oblasti se také mění :, proto

(F / cm 2) (5,3)

Znaménka plus a minus odpovídají posunutí vzad a vpřed.

Pokud vyjádříme hodnotu 1 / C2, dostaneme:

(5.4)

Vidíme lineární závislost 1 / C2 z offsetu V ... Sklon přímky 1 / С2 je určena koncentrací nečistotN D a průsečík s osou úsečky (na 1 / С2 \u003d 0) udává hodnotuV bi.

5.3 Procesy generování a rekombinace nosičů.

Shockleyho vzorec (4.15) uspokojivě popisuje charakteristiky proudového napětí germaniumpn přechody při nízké hustotě proudu. U polovodičů se širší pásmovou mezerou (křemík, arsenid galia) a podle toho s nižší hodnotoun i , tento vzorec dává pouze kvalitativní souhlas se skutečnými vlastnostmi. Hlavní důvody pro odchylku charakteristiky od ideálu jsou: 1) vliv procesů generování a rekombinace nosičů v ochuzené vrstvě, 2) vysoká úroveň vpřed zkreslení injekce, 3) účinek sériového odporu.

S obráceným předpětím přechodu, kdy v přechodu bude převládat proces emise nosičů. V tomto případě bude rychlost generování párů elektron-díra za těchto podmínek určena životností:

, (5.5)

kde  e - životnost určená koncentrací generačních center (viz 2.15). Hustota proudu způsobená generací ve vyčerpané oblasti se považuje za

, (5.6)

kde W je šířka vyčerpané vrstvy. Teplotní závislost generačního proudu je určena teplotní závislostín i, ne n i2 pokud jde o difúzní proud. V tomto případě je sklon charakteristiky na logaritmické stupnici od reciproční teploty (lnJ = f(1/ T) pro generační proud je dvakrát menší než pro difúzní proud, tj. je určena hodnotouEg/2.

Při dané teplotě se šířka vyčerpané vrstvy náhlého přechodu zvyšuje s napětím jako (5.2) a celkový zpětný proud je určen součtem difúzního proudu v neutrální oblasti a generačního proudu:

(5.7)

V polovodičích s velkou hodnotounijako je germanie, převládá difúzní proud. Pokudni malé (jako v křemíku), pak převažuje generační proud. V tomto případě se reverzní proud křižovatky prudce zvyšuje, jak je znázorněno na obrázku 5.1. .

U dopředného zkreslení, když v vyčerpané vrstvě probíhají intenzivní rekombinační procesy, je k difúznímu proudu přidán rekombinační proud, který je patrný na křivce ) na obrázku 5.1. S dalším silným nárůstem proudu se koncentrace injektovaných menšinových nosičů stává srovnatelnou s koncentrací většinových nosičů a zde je nutné vzít v úvahu nejen difúzní, ale také driftovou složku proudu. To vede ke změně sklonu přímky charakteristické pro tvar c) na obrázku 5.1. A konečně při vysokých proudových hustotách začíná hrát roli konečný sériový odpor oblastí sousedících s diodou (křivka d) na obrázku 5.1. Ve všech těchto případech existuje odchylka větve stejnosměrného proudu v semilogaritmickém měřítku od ideálu, určená hodnotou sklonuq/ kT, což vyplývá z rovnice (4.15).

5.4 Difúzní kapacita

U dopředného zkreslení převládá difúzní kapacita ve spojovací kapacitě v důsledku změny v distribuci koncentrace menšinových nosičů. Ekvivalentní obvod pro spojení s předpětím je znázorněn na obrázku 5.2.

Tato kapacita se projevuje střídavým signálem. Pak vodivost přechoduG a jeho kapacitaC lze určit podle diagramu na obrázku 5.2. Navíc C. dQ/ dV ~ d(q n)/ dVkded( n)/ dV - změna koncentrace menšinových nosičů s proměnným signálem.

5.5 Rozpis spojení pn

S velkým zpětným posunem opn přechod, který vytváří velké elektrické pole, přechod „prolomí“, tj. protéká ním velký proud. Existují tři mechanismy rozpadu: termální, tunelové a lavinové.

Když ve spoji s reverzním předpětím protéká velký proud, uvolňuje se teplo (to je typické zejména pro materiály s malou pásmovou mezerou, například germánium). Zvýšení teploty na křižovatce vede ke zvýšení proudu (například jako v bodě (5.1), což opět vede ke zvýšení teploty atd.), Se jev nazývátepelný zhroutit se. Snaží se vyhnout tomuto režimu provozu z důvodu zničení zařízení.

Tunel porucha probíhá vpn křižovatka, jejíž obě strany jsou zdegenerované (silně dotované). Úroveň Fermi na každé straně nebude v zakázané zóně, ale ve vodivém pásmu pron- typ p / p a ve valenčním pásmu pro typ p / p.

Energetický diagram takové diody je znázorněn na obrázku 5.3.

Šířka takovépn přechod je menší než 100 Å. I malá napětí na takovém spojení vedou k velmi velkému elektrickému poli ~ 106 v / cm. S malým zpětným předpětím se mohou elektrony z valenčního pásma p / n přenášet na volná místa ve vodivém pásmun -typ - tunelování potenciální bariérou. (Toto je kvantový jev. To znamená, že vlnová funkce elektronu na levé straně je nenulová na pravé straně, což znamená, že elektron má pravděpodobnost lokalizace na pravé straně a tato pravděpodobnost je nenulová při konečném potenciálu bariéra blízkoEg). Tento typ toku proudu se zpětným zkreslením se nazývátunel. Forma takové charakteristiky je znázorněna na obrázku 5.4. Takové diody se nazývajízenerovy diodypojmenované po vědci Carlosovi Zenerovi, který takový fenomén poprvé zkoumal v roce 1933. Tento mechanismus rozbití pracuje až 5,5 V, poté převažuje mechanismus rozpadu lavin.

Jak teplota stoupá, šířka pásma se zmenšuje, jak ukazují experimenty, a snižuje se průrazné napětí tunelu, což je vidět na obrázku 5.4.

Nejběžnější jelavina zhroutit se. Členění laviny je založeno na fenoménu „množení nosičů“ v silném elektrickém poli působícím v přechodové oblasti. Elektron a díra zrychlené elektrickým polem podél střední volné dráhy mohou rozbít jednu z kovalentních vazeb neutrálního atomu polovodiče. Ve výsledku se rodí nový pár elektron-díra a proces se opakuje za účasti nových nosičů. Při dostatečně vysoké intenzitě pole, když počáteční pár generuje více než jeden nový pár, získává ionizace lavinový charakter, jako soběstačný výboj v plynech. V tomto případě bude proud omezen pouze vnějším odporem.

Pokud je šířka přechoduŽ, pak maximální elektrické pole Emzpůsobení lavinového procesu je spojeno s průrazným napětímPROTIB výraz :, tj. pole Em generované napětímPROTIBaplikován na polovinu přechodu.

Protože (viz (3.7)) a pro náhlý přechod, ve kterémNA>> ND, což znamenáXn>> Xp aXn Ž, můžete psát nebo

(5.8)

Je zřejmé, že se zvyšováním koncentrace se velikost oblasti vyčerpání zmenšuje a má stejnou hodnotu Em průrazné napětíPROTIVklesá.

Graf na obrázku 5.5 ilustruje tento závěr.

Pro výpočet Em používá se empirický vzorec:

, (5.9)

kdeNB měřeno v cm-3

Propn přechody s jinými profily nečistot (nejsou ostré), je tato tendence (pokles průrazného napětí se zvýšením koncentrace) podobná.

Jak teplota stoupá, zvyšuje se lavinové průrazné napětí (na rozdíl od průrazu tunelem). Při zvýšených teplotách nosiče tráví svoji energii snadněji interakcí s mřížovými vibracemi (fonony) než ionizací; proto musí být elektrické pole, a tedy i zpětné napětí, zvýšeno, aby se dosáhlo lavinového efektu.

Všimněte si ještě jedné důležité funkce zhroucení lavinypn přechody vytvořené v místních oblastech povrchu křemíku (to je ~ 99% všech diod). Jak je patrné z obrázku 5.6, takové diody zametají válcové a sférické oblasti, ve kterých je velikost oblasti vyčerpání menší než velikost ploché části a podle toho je intenzita pole při daném napětí na křižovatce vyšší. Právě na takových místech dojde k lavinovému zhroucení přechodu.

To je zvláště patrné při tvářeníbodové diody - diody s velmi malou elektrickou přechodovou oblastí, které lze získat fúzí kovové jehly s na ní usazenou nečistotou do polovodičové desky s určitým typem elektrické vodivosti. (obr. 5.7)

Kvůli malé ploše spojení pn a v důsledku kapacity malého spojení má bodová dioda obvykle mezní frekvenci přibližně 300-600 MHz. Při použití ostřejší jehly bez elektroformování se získají bodové diody s mezní frekvencí řádově desítek gigahertzů.

1 Vynález Bardina, Bretteina a Shockleyho bipolární tranzistor v Bell Lab. Založena v roce 1947.

2 Indexy c a v pocházejí z pásma vodivosti a valenčního pásma

3 Elektrochemický potenciál charakterizuje v termodynamice přírůstek energie systému se změnou počtu nosných na jednotku

4 S Zi „Fyzika polovodičových součástek“ Kniha 1 s. 22

Když je na křižovatku p-n přivedeno střídavé napětí, objeví se kapacitní vlastnosti.

Tvorba p-n spojení je spojena s výskytem vesmírného náboje vytvořeného stacionárními ionty donorových a akceptorových atomů. Externí napětí aplikované na pn křižovatku mění velikost prostorového náboje v křižovatce. V důsledku toho se p-n křižovatka chová jako druh plochého kondenzátoru, jehož desky jsou oblasti typu n- a p mimo křižovatku, a izolátor je oblast prostorového náboje zbavená nosičů náboje a mající vysoký odpor.

Takový kapacita p-n-je volán přechod bariéra... Bariérovou kapacitu C B lze vypočítat podle vzorce

S je oblast křižovatky pn;  ·  0 - relativní () a absolutní ( 0) dielektrické konstanty;  je šířka p-n-spojení.

Charakteristikou bariérové \u200b\u200bkapacity je její závislost na externím aplikovaném napětí. Bereme-li v úvahu (2.2), bariérová kapacita pro náhlý přechod se vypočítá podle vzorce:

,

kde znaménko „+“ odpovídá zpětnému chodu a „- dopřednému napětí na křižovatce.

obr. 2.6 Závislost bariérové \u200b\u200bkapacity na zpětném napětí

V závislosti na oblasti spojení, koncentraci dopantu a zpětném napětí může bariérová kapacita nabývat hodnot od jednotek až po stovky pikofarád. Bariérová kapacita se projevuje při zpětném napětí; s dopředným napětím je posunován malým odporem r pn.

Kromě bariérové \u200b\u200bkapacity má pn křižovatka takzvanou difúzní kapacitu. Difuzní kapacita je spojena s procesy akumulace a resorpce nerovnovážného náboje v bázi a charakterizuje setrvačnost pohybu nerovnovážných nábojů v oblasti báze.

Difúzní kapacitu lze vypočítat takto:

,

kde t n je životnost elektronů v bázi.

Difúzní kapacita je úměrná proudu procházejícím pn spojem. S dopředným napětím může difúzní kapacita dosáhnout desítek tisíc pikofarád. Celková kapacita křižovatky pn je určena součtem bariérových a difúzních kapacit. Při zpětném napětí C B\u003e C DIF; při dopředném napětí převládá difúzní kapacita C DIF \u003e\u003e C B.

Postava: 2,7 ekvivalent p-n obvod- přechod na střídavý proud

Na ekvivalentní obvod paralelně s diferenciálním odporem p-n-spojky r pn jsou připojeny dva kondenzátory C B a C DIF; v sérii s r pn, objemový odpor základny r B.

S nárůstem frekvence střídavého napětí aplikovaného na p-n-křižovatku se kapacitní vlastnosti projevují stále více a více, r pn je posunováno kapacitním odporem a celkovou odpor p-n- přechod je určen objemovým odporem základny. Při vysokých frekvencích tedy spojení pn ztrácí své nelineární vlastnosti.

Metody pro získání p - n-přechodu

Přechody slitin se získají nanesením „vzorku“ nízkotající kovové slitiny na polovodičový krystalový substrát, který obsahuje požadovanou legující látku. Při zahřátí se vytvoří oblast kapalné taveniny, jejíž složení je určeno společným roztavením vzorku a substrátu. Po ochlazení se vytvoří rekrystalizace. Polovodičová oblast obohacená o atomy dopantu. Pokud se typ dopingu této oblasti liší od typu dopingu substrátu, pak ostře p - n- přechod a jeho metalurgická hranice x 0 se shoduje s hranicí rekrystalizace regionu. U slitinových přechodů na tomto povrchu se rozdíl náhle změní (ostře p - n-přechod). Při vytahování z taveniny dochází k tvorbě přechodu během růstu polovodičového ingotu změřenou změnou složení příměsí v tavenině. Difúzní přechody se získají difúzí dopantů ze zdrojů v plynné, kapalné a pevné fázi. Implantované spoje se tvoří během iontové implantace dopantů. Epitaxní spojení se získávají metodou epitaxního růstu nebo růstu, včetně metody epitaxe molekulárního paprsku, která umožňuje prostorově nejjemněji (s rozlišením až 1 nm) regulovat zákon variace N D ( x) - N a ( x)... Často se používají kombinované metody: po fúzi, implantaci nebo epitaxním růstu se provede difúzní úprava struktury. Po obdržení p - n-P. nejen legování je regulováno r- a n-oblasti, ale také struktura celé přechodové vrstvy; získá se zejména požadovaný gradient a \u003d d(N D - N A) / dx v bodě metalurgie. přechod x = x 0 ... Ve většině případů asymetrické r + - P- nebo p + - p-p., ve kterém je doping jednoho z regionů (+) mnohem silnější než druhého.

Aplikace, p - n-P. má nelineární charakteristiku I - V s vysokým koeficientem usměrnění, která je základem působení usměrňovacích (polovodičových) diod. Změnou tloušťky ochuzené vrstvy se změnou napětí U má řízenou nelineární kapacitu.

Je-li zapnuto dopředu, vstřikuje média z jedné ze svých oblastí do druhé. Vstřikovaná média mohou proudit atd. p - n- přechod, rekombinace s emisemi světla, transformace p - n-Přechod. do zdroje elektroluminiscenčního záření, setrvačné zpoždění v oblasti vstřikování během přepínání rychlého napětí na r - n-P. Aktuální p - n-P. řízeno světlem nebo jiným ionizujícím zářením. Vlastnosti p - n-P. způsobit jejich použití v dekomp. zařízení: usměrňovač, detektor, směšovací diody, bipolární a unipolární tranzistory; tunelové diody; lavinové tranzitní diody (mikrovlnné generátory); fotodiody, lavinové fotodiody, fototranzistory ; tyristory, fototyristory; fotobuňky, solární panely; LED diody, injekční lasery; detektory částic atd. r - n- křižovatka je přemístěna Schottkyho bariérou, izotypovými heterojunkce, rovinně dotovanou bariérou.

Změna vnějšího napětí dU na p-n křižovatce vede ke změně akumulovaného náboje dQ v něm. Spojení p-n se proto chová jako kondenzátor, jehož kapacita je C \u003d dQ / dU.

V závislosti na fyzikální povaze měnícího se náboje existují bariérové \u200b\u200b(nabíjecí) a difúzní kapacity.

Bariérová (nabíjecí) kapacita je určena změnou nekompenzovaného iontového náboje, když se šířka bariérové \u200b\u200bvrstvy změní vlivem vnějšího zpětného napětí. Ideální spojení elektron-díra lze tedy považovat za plochý kondenzátor, jehož kapacita je určena vztahem

kde П, d jsou plocha a tloušťka p-n křižovatky.

Ze vztahů (1.41) a (1.31) vyplývá

.

Obecně platí, že závislost nabíjecí kapacity na použité p-n křižovatka zpětné napětí je vyjádřeno vzorcem

,

kde C 0 je kapacita křižovatky p-n při U OBR \u003d 0; g - koeficient v závislosti na typ p-n přechod (pro ostrý p-n přechody g \u003d 1/2 a pro plynulé přechody g \u003d 1/3).

Bariérová kapacita se zvyšuje s nárůstem NA a ND, stejně jako se snížením zpětného napětí. Povaha závislosti C BAR \u003d f (U OBR) je znázorněna na obr. 1,13, a.

Zvažte difúzní kapacitu. Jak se zvyšuje vnější napětí aplikované na p-n spojení v dopředném směru, zvyšuje se koncentrace injektovaných nosných v blízkosti hranic křižovatky, což vede ke změně množství náboje způsobeného menšinovými nosiči v p- a n-regionech. To lze považovat za projev určité kapacity. Protože to závisí na změně difuzní složky proudu, nazývá se to difúze. Difúzní kapacita je poměr přírůstku injekčního náboje dQ inzh ke změně napětí dU pr, která ji způsobila, tj. ... Pomocí rovnice (1.30) lze určit náboj vstřikovaných nosičů, například otvorů v n-oblasti:

Obrázek 1.13 Závislost kapacity bariéry (a) a difúze (b) p-n spojení na napětí.

Potom je difuzní kapacita způsobená změnou celkového náboje nerovnovážných otvorů v n-oblasti určena vzorcem

.

Podobně pro difúzní kapacitu v důsledku vstřikování elektronů do p-oblasti,

.

Obrázek 1.13 Ekvivalentní spojovací obvod pn.

Celková difúzní kapacita

Závislost kapacity na dopředném napětí na p-n křižovatce je znázorněna na obrázku 1.13, b.

Celková kapacita křižovatky p-n je určena součtem nabíjecí a difúzní kapacity:

.

Když zapnutí p-n přechod v dopředném směru, převládá difúzní kapacita a při zapnutí v opačném směru nabíjecí kapacita.

Na obr. 1.14 ukazuje ekvivalentní obvod křižovatky p-n ve střídavém proudu. Obvod obsahuje diferenciální odpor pn spojení r D, difúzní kapacitu C DIF, bariérovou kapacitu C BAR a odpor objemu p- a n-oblastí r 1. Na základě rovnice (1.37) můžete napsat:

.

Pokud s přímým zapnutím přechodu p-n U pr \u003e\u003e j t, pak:

Pokojová teplota ; (1.42)

(ve vztahu (1.42) je aktuální hodnota nahrazena v ampérech). Únikový odpor r UT zohledňuje možnost průchodu proudu přes povrch krystalu v důsledku nedokonalosti jeho struktury. S přímým připojením křižovatky p-n S BAR<< С ДИФ, дифференциальное сопротивление r Д ПР мало и соизмеримо с r 1 , поэтому эквивалентная схе­ма принимает вид, показанный на рис. 1.15, а.

Obrázek 1.15 Zjednodušené ekvivalentní obvody spojení pn.

S obráceným předpětím r D OBR \u003e\u003e r 1, S BAR \u003e\u003e S DIF a ekvivalentním obvodem má tvar zobrazený na obr. 1,15, b.

Polovodičová dioda je setrvačná s ohledem na dostatečně rychlé změny proudu nebo napětí, protože nové rozdělení nosné není zavedeno okamžitě. Jak víte, vnější napětí mění šířku křižovatky, a tedy velikost vesmírných nábojů v křižovatce. Kromě toho se během vstřikování nebo extrakce mění náboje v základní oblasti (role nábojů v emitoru je nevýznamná). V důsledku toho má dioda kapacitu, kterou lze považovat za připojenou paralelně s pn křižovatkou. Tuto kapacitu lze rozdělit na dvě složky: bariérová kapacita- odrážející přerozdělení poplatků v křižovatce a - difúzní kapacitaodrážející přerozdělení poplatků v základně. Takové rozdělení je obecně libovolné, ale v praxi je výhodné, protože poměr obou kapacit je pro různé polarity aplikovaného napětí odlišný. U dopředného napětí hrají hlavní roli přebytečné náboje v základně, a tedy i difúzní kapacita. Při zpětném napětí jsou přebytečné náboje v základně malé a hlavní roli hraje bariérová kapacita. Předem si všimněte, že obě kapacity nejsou lineární: difúzní kapacita závisí na dopředném proudu a bariérová kapacita závisí na zpětném napětí.

Pojďme určit hodnotu bariérové \u200b\u200bkapacity, přičemž přechod považujeme za asymetrický typu n + -p. Pak lze délku záporného náboje v základně typu p považovat za rovnou celé šířce přechodu :. Zapíšeme si modul tohoto poplatku:

kde N je koncentrace nečistot v bázi; S - přechodová oblast. Stejný (ale kladný) náboj bude ve vrstvě emitoru.

Představte si, že tyto náboje jsou umístěny na deskách imaginárního kondenzátoru, jehož kapacitu lze určit jako

Vezmeme-li v úvahu výraz pro šířku přechodu s reverzním připojením a rozlišení náboje Q napětím, konečně dostaneme:

(7.10)

kde a respektive jsou šířka a výška potenciální bariéry v rovnovážném stavu.

Vzhledem k tomu, že dioda má kapacitu, je možné nakreslit její úplný ekvivalentní obvod střídavý proud (Obrázek 3.10a).

Odpor R 0 v tomto obvodu představuje celkový relativně nízký odpor n- a p-oblastí a kontaktů těchto oblastí s vodiči. Nelineární odpor R nl s přímým připojením se rovná R pr, tj. malé a při zpětném napětí R nl \u003d R arr, tj. je to velmi velké. Daný ekvivalentní obvod v různých frekvenčních případech lze zjednodušit. Při nízkých frekvencích je kapacita velmi vysoká a kapacitu lze ignorovat. Poté s dopředným předpětím v ekvivalentním obvodu zůstanou pouze odpory R 0 a R pr (obr. 7.5b),

Obr. 7.5b. Obrázek 7.5c.

a se zpětným napětím - pouze odpor R arr, protože R 0<< R обр (рис.7.5в).

Při vysokých frekvencích mají kondenzátory relativně malý odpor. Proto s dopředným napětím se získá obvod podle obr. 7.5d (pokud není frekvence příliš vysoká, pak Cdiff prakticky neovlivní),

Obrázek 7.5d. Obr. 7.5e.

a v opačném případě zůstanou R arr a C b (obrázek 7.5e).

Je třeba mít na paměti, že mezi svorkami diody je také kapacita C, která může znatelně zkratovat diodu při velmi vysokých frekvencích. Indukčnost vodičů se může objevit také na mikrovlnné troubě.

Klasifikace diod.

Klasifikace diod se provádí hlavně:

1) o technologických metodách vytváření elektrických uzlů a diodových struktur

2) podle prováděné funkce diod.

Podle výrobní technologie mohou být diody bodové a rovinné. Hlavní charakteristiky bodových diod: oblast p-n-křižovatky je malá, má nízkou kapacitu (méně než 1 pF), nízké proudy (ne více než 1 nebo desítky mA). Používají se při vysokých frekvencích až po mikrovlnné frekvence. Technologie: wolframové vlákno potažené akceptorovou nečistotou (pro germanium - indium, pro křemík - hliník) je přivařeno k desce germania typu n nebo typu n pomocí silného proudu.

Rovinné diody: Výrobní technologií může být fúze nebo difúze. Při tavení na vyčištěný povrch polovodičové destičky se obvykle umístí peleta typu n z materiálu přijímajícího kov, například hliník, pokud je polovodičem křemík. Při zahřátí na 600 ... 700 ° C se roztaví a rozpustí sousední vrstvu křemíku, jejíž teplota tání je mnohem vyšší. Po ochlazení se na povrch desky nanese vrstva křemíku typu p + nasyceného hliníkem (emitor typu p, základna typu n). Difúze: atomy nečistot obvykle vstupují do polovodičové desky z plynného média jejím povrchem při vysoké teplotě (asi 10 000) a šíří se dovnitř v důsledku difúze, tj. tepelný pohyb. Proces se provádí ve speciálních difúzních pecích, kde se teplota a čas procesu udržují s vysokou přesností. Čím delší je čas a teplota, tím dále nečistoty pronikají do hloubky desky. Difúzní p-n-křižovatka se ukázala být plochá a její plocha je velká a rovná se ploše původní desky, provozní proudy dosahují desítek ampérů.

Podle provedené funkce se rozlišují usměrňovací diody, pulzní, konverzní, spínací, detektorové diody, zenerovy diody, varikasy atd. Samostatné třídy diod lze rozdělit do podtříd v závislosti na rozsahu provozních frekvencí (nízkofrekvenční, vysokofrekvenční, mikrovlnné diody, diody optického rozsahu). Diody se také vyznačují svým polovodičovým materiálem: nejpoužívanějším je křemík, který vytlačuje dříve rozšířené germanie. Křemíkové diody mají vysokou maximální provozní teplotu (Si - 125 ... 150 0 C, Ge - 70 ... 80 0 C) a několik řádů nižší zpětný proud. Počet diod arsenidu gália (zejména kov-polovodičových diod), překračujících parametry křemíkových diod, se neustále zvyšuje.

Uvažujme o některých typech diod a jejich hlavních parametrech.

1.Usměrňovací nízkofrekvenční diody... Používají se v napájecích zdrojích pro usměrňování střídavého proudu.

Hlavními elektrickými parametry diody jsou hodnoty U pr.av při daném I pr.av, stejně jako I ar.av při dané amplitudové (maximální) hodnotě zpětného napětí (U obr.max) (U pr.av. a I arr.av - průměrné hodnoty dopředného napětí a zpětného proudu za období). U křemíkových diod s přechodem pn, které jsou nejrozšířenější, nepřekročí U pr.av při T \u003d 20 0 C 1..1,5 V. Se zvyšující se teplotou tato hodnota klesá a TKN závisí na hodnotě dopředné aktuální; s rostoucím proudem klesá a při vysokém proudu může být dokonce kladný. Zpětný proud křemíkových diod při T \u003d 20 0 C zpravidla nepřesahuje desetiny μA a zvyšuje se s rostoucí teplotou (teplota zdvojnásobení je asi 10 0 C). Při T \u200b\u200b\u003d 20 0 C lze reverzní proud zanedbávat. Průrazné napětí křemíkových diod je stovky voltů a zvyšuje se s rostoucí teplotou.

Dopředné napětí křemíkových diod s kovově-polovodičovým spojem je asi poloviční oproti diodám s pn spojem. A zpětný proud je o něco větší a silněji závisí na teplotě, zdvojnásobuje se na každých 6 ... 8 0 C.

Při výběru typu diody se bere v úvahu maximální povolený usměrněný proud, zpětné napětí a teplota. V závislosti na přípustném proudu, diody malé (<300мА), средней (<1А) и большой (>10A) napájení. Omezující zpětné napětí je omezeno rozpadem křižovatky a leží v rozmezí od 50 do 1 500 V. Pro zvýšení přípustného zpětného napětí jsou diody zapojeny do série. Několik diod zapojených do série, vyrobených v jediném technologickém cyklu a uzavřených ve společném krytu, se nazývá usměrňovací kolona. Maximální provozní teplota křemíkových diod dosahuje 125..50 0 ° C a je omezena nárůstem zpětného proudu.

Nízkoenergetické diody s malou spojovací oblastí p-n (méně než 1 mm 2) jsou vytvářeny metodou fúze, výkonné diody s velkou plochou metodou difúze. Výkonové diody s p-n přechodem mohou pracovat až na frekvencích obvykle ne více než 1 kHz a diody s přechodem kov-polovodič - až na frekvence stovek kHz.

Germaniové diody mají dopředné napětí asi 1,5 ... 2krát menší než křemík (obvykle ne více než 0,5 V) kvůli menší mezeře pásma. Je určen hlavně poklesem napětí na základním odporu, v tomto případě TK U pr\u003e 0. Reverzní proud při Т \u003d 20 0 С je o 2..3 řádů vyšší než v křemíkových diodách a závisí více na teplotě. Zdvojnásobením každých 8 0 ° C je v tomto ohledu maximální provozní teplota mnohem nižší (70 ... 80 0 ° C).

Mechanismus tepelného rozpadu vede k tomu, že germaniové diody selhávají i při krátkodobém impulsním přetížení. To je významná nevýhoda. Průrazné napětí klesá s rostoucí teplotou.

Vzhledem k malé spojovací oblasti jsou maximální přípustné dopředné proudy vysokofrekvenčních diod malé (obvykle méně než 100 mA), průrazná napětí zpravidla nepřesahují 100 V.

3. Pulzní diody. Navrženo pro provoz v pulzním režimu, tj. v zařízeních pro tvorbu a převod pulsních signálů, klíčových a digitálních obvodů.

Nejdůležitějším parametrem pulzních diod je doba zotavení zpětného odporu. Charakterizuje proces přechodu přepnutí diody ze stavu s daným dopředným proudem I pr do stavu s daným zpětným napětím U arr. Obrázek 7.6 ukazuje časová schémata napětí a proudu diodou.

Doba zotavení t se počítá od okamžiku ti změny napětí na diodě od dopředu dozadu až do okamžiku t2, kdy zpětné napětí dosáhne hodnoty 0,1 pr. Moment ti), stejně jako proces dobíjení kapacity bariéry. U pulzních diod by doba zotavení měla být co nejkratší; je nutné zkrátit životnost menšinových nosičů v základně, pro které jsou křemíkové diody s p-n spojem dotovány zlatem. Ale pro křemíkové diody není možné získat dobu zotavení řádově kratší než 1 ns. V arsenidu gália je životnost mnohem kratší než v křemíku a v diodách s p-n přechodem je možné získat t rep řádově 0,1 ns. Snížení kapacity bariéry je dosaženo zmenšením oblasti spojení. Nejkratší doba zotavení (t re<0.1нс) имеют диоды с переходом металл-полупроводник, в которых отсутствует накопление неосновных носителей при протекании прямого тока. В них время восстановления порядка C б r б определяется процессом перезаряда барьерной емкости перехода через сопротивление базы.

U všech pulzních diod je kapacita indikována při specifickém zpětném napětí a frekvenci střídavého signálu použitého při měření. Minimální hodnoty kapacity jsou 0,1 ... 1 pF.

Specifické parametry pulzních diod zahrnují maximální impulsní zpětný proud I arr.i.max a maximální impulsní odpor r r.i.max, který se rovná poměru maximálního dopředného napětí během jeho ustavování k dopřednému proudu. Je žádoucí mít hodnoty těchto hodnot co nejmenší.

U pulzních diod jsou důležité také statické parametry, které určují ustálené hodnoty proudu a napětí v obvodech. Patří mezi ně dopředné napětí při daném dopředném proudu a reverzní proud při daném reverzním napětí.

4. Zenerovy diody. Zenerova dioda se nazývá polovodičová dioda určená ke stabilizaci napětí v obvodech. Zenerovy diody se používají v napájecích zdrojích, omezovačích, svorkách, napěťových referencích a dalších zařízeních. Princip fungování zenerových diod je založen na použití lavinového nebo tunelového rozpadu v pn křižovatce. Obrázek 7.7 ukazuje typickou charakteristiku napětí a proudu zenerovy diody při zpětném napětí.

V části průrazu - pracovní části charakteristiky I - V napětí velmi slabě závisí na proudu. Minimální hodnota pracovního proudu I st.min odpovídá začátku „svislého“ úseku charakteristiky I - V, kde je dosaženo malého rozdílového odporu rdif \u003d ΔU / ΔI. Maximální proud I st.max je určen přípustným ztrátovým výkonem. Hlavním parametrem je stabilizační napětí U st, téměř rovné průraznému napětí, je nastaveno na určitou hodnotu proudu I st v pracovní sekci.

Schéma zapojení Zenerovy diody je znázorněno na obrázku 7.8.

Zde R ogr je omezující rezistor; R n - odpor zátěže, napětí, při kterém U n \u003d U st. Proud protékající omezovacím odporem je I \u003d (EU st) / R ogr a proud procházející zenerovou diodou I st \u003d II n, kde I n \u003d U st / R n, což odpovídá pracovnímu bodu c na obrázku 3.11. Pokud se napětí zdroje energie odchýlí o částku od jmenovité hodnoty, změní se proud zenerovou diodou o Δ I st \u003d ΔE) / R ogr při r dif<<(R огр ││ R н) и рабочая точка перемещается в пределах участка C ’ C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину

(7.11)

Pokud se zatěžovací proud změní a. následně se zatěžuje hodnotou Δ I n, pak se proud zenerovou diodou změní přibližně stejným způsobem a Δ U \u003d - r dif ΔI n. Znaménko „-“ znamená, že s rostoucím proudem zátěže se proud Zenerovy diody snižuje. Pro dosažení dobré stabilizace by měl být diferenciální odpor co nejnižší.

Průrazné napětí křižovatky pn klesá s rostoucí koncentrací základních nečistot. U zařízení různých typů může být U st od 3 do 200V.

Vliv teploty se odhaduje podle teplotního koeficientu stabilizace napětí TKN, který charakterizuje změnu napětí U st při změně teploty o jeden stupeň, tj.

(7.12)

Teplotní koeficient napětí může být od 10 -5 do 10 -3 K -1. Hodnota U st a značka TKN závisí na měrném odporu hlavního polovodiče. Zenerovy diody pro napětí do 7 V jsou vyrobeny z křemíku s nízkým odporem, tj. s vysokou koncentrací nečistot. V těchto zenerových diodách má křižovatka p-n malou tloušťku, působí v ní pole s vysokou pevností a k poruše dochází hlavně díky tunelovacímu efektu. V tomto případě se TKN ukáže být záporným. Pokud se použije křemík s nižší koncentrací nečistot, pak křižovatka p-n bude silnější. K jeho rozpadu dochází při vyšším napětí a je to lavina. Pro takové zenerové diody je charakteristická pozitivní TCN.

Teplotní koeficient stabilizace vysokonapěťových zenerových diod lze pomocí tepelné stabilizace snížit o 1 ... 2 řády. K tomu je reverzně spojený p-n přechod zenerovy diody zapojen do série s jedním nebo dvěma p-n křižovatkami zapojenými v dopředném směru. Je známo, že dopředné napětí na pn křižovatce klesá s rostoucí teplotou, což kompenzuje nárůst průrazného napětí. Takové teplotně kompenzované zenerovy diody se nazývají přesné diody. Používají se jako referenční zdroje napětí.

Zenerova dioda nejčastěji pracuje v takovém režimu, když je zdrojové napětí nestabilní a odpor zátěže Rn je konstantní. K zajištění a udržení správného stabilizačního režimu v tomto případě musí mít odpor R ogr určitou hodnotu. Obvykle se R ogr počítá pro střed s charakteristikami zenerovy diody. Pokud se napětí E změní z E min na E max, pak R ogr lze najít podle následujícího vzorce

(7.13)

kde E cf \u003d 0,5 (E min + E max) je průměrné napětí zdroje;

I cf \u003d 0,5 (I min + I max) - průměrný proud zenerovy diody;

I n \u003d U st / R n - zatěžovací proud.

Pokud se napětí E začne měnit v jednom nebo druhém směru, změní se proud zenerovy diody, ale napětí na ní, a tedy na zátěži, bude téměř konstantní. Protože všechny změny zdrojového napětí musí být absorbovány omezovacím rezistorem, musí největší změna tohoto napětí, rovnající se E max - E min, odpovídat největší možné změně proudu, při které je stabilizace stále udržována, tj. I max - I min. Z toho vyplývá, že pokud se hodnota E změní o ΔE, bude stabilizace provedena pouze v případě, že podmínka

Druhý možný stabilizační režim se použije, když E \u003d const a Rn se změní v rozsahu od Rn min do Rn max. Pro takový režim lze R ogr určit průměrnými hodnotami proudů podle vzorce

(7.15)

I n cf \u003d 0,5 (I n min + I n max) a I n min \u003d U st / R n max a I n max \u003d U st / R n min.

Pro získání vyšších stabilních napětí se používá sériové zapojení zenerových diod navržených pro stejné proudy.

5. Varicaps. Varicaps se nazývají diody, jejichž princip je založen na závislosti bariérové \u200b\u200bkapacity pn křižovatky na zpětném napětí. Tím pádem. Varicaps jsou variabilní kondenzátory, které nejsou ovládány mechanicky, ale elektricky, tj. změnou zpětného napětí. Používají se jako prvky s elektricky řízenou kapacitou v obvodech pro ladění frekvence oscilačního obvodu, dělení a násobení frekvence, frekvenční modulace, řízené fázové posunovače atd.

Nejjednodušší obvod pro zapnutí varikapu pro vyladění frekvence oscilačního obvodu je uveden na obr. 7.9.

Řídicí napětí U je přiváděno na varikap VD prostřednictvím vysoce rezistoru R, který snižuje posun varikapu a oscilačního obvodu zdrojem napětí. Aby se eliminoval stejnosměrný proud přes indukční prvek, je oscilační obvod připojen paralelně k varikapu přes velký kondenzátor C p blokující kondenzátor. Změnou hodnoty zpětného napětí a následně kapacity varikapu a celkové kapacity oscilačního obvodu se změní jeho rezonanční frekvence.

Hlavním polovodičovým materiálem pro výrobu varikapu je křemík; používá se také arsenid galia, který poskytuje nižší základní odpor.

Mezi elektrické parametry varikapu patří kapacita při jmenovitém, maximálním a minimálním napětí, měřená při dané frekvenci, koeficient překrytí kapacity, faktor kvality, frekvenční rozsah, teplotní koeficienty kapacity a faktor kvality. U různých typů varikaps se jmenovitá kapacita může pohybovat od několika jednotek do několika stovek pikofarád.