Електронно-дірковий перехід і його властивості. Напівпровідникові діоди

 

Розглянуті вище властивості однорідних напівпровідників використовуються лише для побудови напівпровідникових резисторів. Більшість же напівпровідникових приладів й елементів мікроелектроніки утворено з неоднорідних структур, серед яких основними є контакти двох напівпровідників з різними типами домішкової провідності та контакт напівпровідника з металом.

Електричний перехід між двома частинами напівпровідника, одна з яких має електропровідність типу n, а інша – типу p, називають електронно-дірковим, або п - р-переходом. Такий перехідний контакт не можна утворити простим дотиком пластин провідностей типів п і р тому, що він буде забруднений оксидами, повітрям, іншими сполуками. Електронно-дірковий перехід здобувають дифузією або вплавлюванням відповідних домішок у пластини монокристала напівпровідника, а також вирощуванням п -p-переходу з розплаву напівпровідника з регулюванням кількості домішки.

Властивості п - p-переходу суттєво залежать від його конструкції, способу добування, співвідношення концентрації донорних та акцепторних домішок.

Розглянемо властивості різкого п - p-переходу (тобто такого, в якому тип домішки змінюється не повільно, а різко) з однаковими концентраціями донорних й акцепторних домішок (рис. 3.8, а).

У напівпровіднику n-типу основними рухомими носіями електричного заряду є електрони, в напівпровіднику р-типу — дірки. Рухомі носії заряду, що знаходяться поблизу п- р-переходу, дифундують через перехід і взаємно рекомбінують, унаслідок чого в п -p-переході утворюється збіднений вільними носіями подвійний шар просторових зарядів. Ширина його (Δ=x_p–x_n) становить десяті частки мікрометра. В напівпровіднику p-типу він утворюється негативними іонами акцепторної домішки, які залишилися після дифузії в n-область і рекомбінації дірок вільних носіїв, а в напівпровіднику n-типу — позитивними іонами донорної домішки (рис. 3.8, б). Електричне поле їх просторових зарядів перешкоджає подальшій дифузії, оскільки на п - p-переході виникає потенціальний бар'єр φ(x) у кілька десятих часток вольта (рис. 3.8, в).

Це поле спрямоване від позитивних іонів донорів до негативних іонів акцепторів, воно гальмує рух основних носіїв заряду і прискорює рух неосновних. Тепер будь-який електрон, що перейшов з електронної структури в діркову, потрапляє в електричне поле, яке намагається повернути його назад в електронну структуру n-типу. Аналогічно дірки відштовхуються в структуру р-типу. Завдяки наявності збідненого вільними носіями шару завширшки Δ електрична провідність п-р-переходу зменшується відносно провідності останньої частини напівпровідника, а наявність просторових зарядів й електричного поля робить його провідність залежною від напрямку дії зовнішнього електричного поля.

Слід мати на увазі, що в напівпровідниках неперервно утворюються та рекомбінують теплові електронно-діркові пари, які створюють деяку кількість неосновних носіїв. Перш ніж рекомбінувати з основними носіями, неосновні носії, що знаходяться поблизу п -p-переходу, можуть потрапити в поле потенціального бар'єра і спричинити дрейфовий струм. За відсутності зовнішніх діянь цей струм компенсується дифузійним струмом основних носіїв, унаслідок чого встановлюється динамічна рівновага переходу.

Якщо до зрівноваженого електронно-діркового переходу прикласти зовнішнє електричне поле, то через нього проходитиме електричний струм характер якого залежить від напрямку прикладеного поля (рис. 3.9).

 

Рис. 3.8. Схематичне зображення утворення потенціального бар’єра в електронно-

дірковому переході

 

Під дією електричного поля, спрямованого проти потенціального бар'єра (рис. 3.9, а),останній зменшується, а потім зникає. Основні носії електричних зарядів рухаються в напрямку n-p-переходу, його ширина й опір спадають. Ті носії, які пройшли через n-p-

перехід , стають неосновними і рекомбінують з основними носіями напівпровідника, до якого вони дифундували. Поповнення основних носіїв, що рекомбінували, забезпечується із зовнішнього кола: через n-p-перехід проходить прямий дифузійний струм. Підвищення зовнішньої напруги призводить до експоненційного зростання прямого струму тому, що

 

Рис. 3.9. Схематичне зображення прямого (а) і зворотного (б) приєднань електронно-

діркового переходу до зовнішнього джерела та його ВАХ (в)

 

 

концентрація основних носіїв в обох напівпровідниках досить значна.

Якщо зовнішнє електричне поле збігається з полем потенціального бар'єра (рис. 3.9, б), то із підвищенням його напруженості потенціальний бар'єр збільшується, ширина Δ збідненої вільними носіями зони зростає, опір n-p-переходу підвищується. Кількість основних носіїв, здатних подолати дію такого поля, зменшується, струм дифузії основних носіїв спадає. Основні носії під дією зовнішнього поля відтягуються від приконтактних шарів у глибину напівпровідника. Для неосновних носіїв потенціальний бар'єр в n-p-переході відсутній, і вони будуть втягуватися полем в n-p-перехід. Таке вмикання n-p-переходу називають зворотним. При ньому основний дрейфовий струм, що утворюється неосновними носіями, має мале значення, яке практично не залежить від зовнішньої напруги, але істотно залежить від температури.

Таким чином, основною властивістю n-p-переходу є його переважно однобічна провідність і нелінійність ВАХ (рис. 3.9, в).

На рис. 3.10 показано типову ВАХ n-p-переходу і її залежність від температури. Як видно, від температури суттєво залежить лише зворотна частина ВАХ тому, що значення зворотного струму визначається концентрацією неосновних носіїв заряду, яка із підвищенням температури зростає за експонентою. Зі збільшенням температури порушується однобічна

Рис. 3.10. Типова ВАХ електронно-діркового переходу при різних температурах

 

Рис. 3.11. Умовні графічні позначення напівпровідникових діодів: а – загальне; б – варикап; в – стабілітрон; г – тунельний діод; д – фотодіод; е – світлодіод

 

провідність n-p-переходу, що обмежує можливість застосування германієвих приладів температурами 70...90 °С, а силіцієвих (кремнієвих) — 120... 150 °С.

Властивості n-p-переходу залежать також від частоти прикладеної напруги. Вона зумовлена наявністю власної ємності переходу, що складається з бар'єрної та дифузійної частин. При зворотній напрузі шар напівпровідника з просторовими електричними зарядами і збіднений основними носіями зарядів може розглядатися як електрична ємність, значення якої пропорційне площі переходу, діелектричній проникності матеріалу напівпровідника, концентрації носіїв заряду і залежить від прикладеної зворотної напруги. При прямій напрузі n-p-перехід, крім бар'єрної, має ще дифузійну ємність, зумовлену накопиченням рухомих носіїв заряду в п- та р-ділянках переходу.

Кожному значенню прямої напруги U_пр відповідає певний заряд q, що накопичився. Частотні властивості переходу визначаються, в основному, бар'єрною ємністю, оскільки дифузійна ємність зменшується із збільшенням напруги сигналу, а крім того, вона зашунтована малим прямим опором переходу. Для зменшення бар'єрної ємності використовують високочастотні діоди точкової конструкції.

Практично однобічну провідність n-p-переходу покладено в основу побудови напівпровідникових діодів.

Напівпровідникові діоди — це прилади з двома виводами, які мають один електронно-дірковий перехід. Різні типи напівпровідникових діодів різняться основним матеріалом, з якого їх виготовлено, технологією виробництва та конструкцією, що зумовлює широку різноманітність їхніх електричних параметрів й умов застосування (рис. 3.11).

За основним матеріалом найпоширенішими є германієві та кремнієві діоди, за конструкцією– точкові та площинні, за технологією виробництва — сплавні, зварні, дифузійні, за умовами застосування – універсальні, високочастотні, імпульсні, випрямні. Крім того, використовують спеціальні діоди, побудовані на параметричних властивостях n-p-переходу, явищі електричного пробою, тунельному ефекті тощо.

Універсальними називають діоди, розраховані на струми до 100 мА Вони застосовуються для малопотужного випрямлення, детектування та інших нелінійних перетворень електричних сигналів у діапазоні частот до 600 МГц. Це діоди з германієвим або кремнієвим n-p-переходом точкової конструкції, який найчастіше розміщений у скляному балончику. У зв'язку з малою площею n-p-переходу зворотний струм діодів малий, вплив температури на цей струм менший, ніж в інших типів діодів, особливо це стосується кремнієвих діодів. Однак потенціальний бар'єр у кремнієвих діодів значно вищий, ніж у германієвих, що змушує в деяких випадках ускладнювати схеми їх умикання підведенням додаткової постійної напруги зміщення РТ.

Для високочастотних діодів основною вимогою є зменшення власної ємності. В електронно-дірковому переході навіть точкового типу ці можливості обмежені наявністю досить широкої зони просторового заряду. Її можна значно зменшити, якщо n-p-перехід замінити переходом метал — напівпровідник. Структура і властивості такого переходу залежать від розташування рівнів Фермі та роботи виходу, потрібної для переведення електрона з рівня Фермі у вакуум.

Нехай еφ_м — робота виходу електрона з металу, а еφ_н — робота виходу з напівпровідника. Якщо еφ_м >еφ_н, то при утворенні контакту переважна більшість електронів переходитимуть у метал, унаслідок чого метал набуватиме негативного заряду, а напівпровідник — позитивного, і на межі контакту утвориться контактна різниця потенціалів U_к. Рух електронів відбуватиметься, поки рівні Фермі не зрівняються. Щоб подолати утворений таким чином потенціальний бар'єр і перейти з однієї речовини в іншу, електрон мусить мати додаткову енергію е(φ_м – φ_н).

Приконтактний шар напівпровідника збіднений носіями заряду, а тому він перешкоджає проходженню струму через контакт, тобто є запірним. Отже, цей контакт має властивості однобічної провідності при досить великому опорі. Вперше утворення потенціального бар'єра в контакті метал — напівпровідник було досліджено німецьким фізиком В. Шоткі. Тому його назвали переходом Шоткі, хоча властивості такого контакту використовував ще в 1920 р. в радіолабораторії Нижнього Новгорода О. Лосєв.

Найважливіша особливість діодів Шоткі полягає у відсутності інжекції неосновних носіїв заряду. Провідність забезпечується лише основними носіями, що призводить до відсутності дифузійної ємності, а це істотно збільшує швидкодію діодів, особливо якщо вони працюють у режимі перемикання. Другою важливою особливістю діодів Шоткі є дуже мале значення потенціального бар'єра і мала пряма напруга. Їхня ВАХ практично виходить з початку координат. Це пояснюється не тільки малою шириною запірного збідненого носіями шару, яка не перевищує кількох одиниць мікрометра, а й тим, що навіть невеликий початковий струм у контакті з великим опором створює достатню кількість теплової енергії, щоб завдяки додатковій внутрішній термоемісії збільшити кількість носіїв заряду, які беруть участь у створенні прямого струму. На рис. 3.12 показано для порівняння робочі частини ВАХ діода Шоткі, германієвого та кремнієвого діодів.

 

Рис. 3.12. Порівняльні ВАХ діода Шоткі (1), германієвого (2) і кремнієвого (3) діодів

 

Можна показати, що за умови еφ_м < еφ_н ефект однобічної провідності в контакті метал — напівпровідник не створюється. Такі контакти утворюють для створення омічних переходів у напівпровідниках і мікросхемах.

Імпульсні діоди є різновидом високочастотних. Вони призначені для роботи в

швидкодійних імпульсних схемах із часом перемикання менш як 1 мкс. У таких діодах технологічними способами значно зменшується бар'єрна ємність.

Випрямні діоди мають різні конструкції та габаритні розміри залежно від потужності, на яку їх розраховано. Діапазон застосування таких діодів сягає струмів до 500 А і зворотних напруг до 2 кВ. Це діоди площинного типу. Малопотужні випрямні діоди мають тоненькі гнучкі виводи, потужні — змонтовані на масивній основі з гвинтом та плоскою зовнішньою поверхнею для забезпечення надійного теплового контакту з радіатором. До внутрішньої поверхні такої основи кріпиться напівпровідниковий кристал. Промисловість випускає також спеціальні випрямні стовпи, складені з кількох послідовно з'єднаних і спеціально підібраних діодів, залитих епоксидною смолою.

Кремнієві випрямні діоди мають багато переваг перед германієвими тому, що зворотний струм у них менший, а зворотна напруга при цьому може бути значно більшою, ніж у германієвих. Температурні межі застосування кремнієвих діодів теж ширші. Кремнієві діоди вигідніше використовувати при високих напругах, германієві — при низьких.

Напівпровідникові діоди можна з'єднувати між собою послідовно та паралельно. При паралельному з'єднанні для вирівнювання струмів у діодах послідовно з ними вмикають додаткові резистори R_Д0Д опором у кілька омів (рис. 3.13, а). При послідовному вмиканні вирівнюють зворотні опори діодів застосуванням шунтів у вигляді резисторів R_ш опором близько 100 кОм (рис. 3.13,6).

Якщо n-p-перехід утворений з напівпровідника з високою концентрацією домішок (близько 10²¹ атомів домішки в 1 см³), то в ньому спостерігається тунельний ефект, відкритий японцем Лео Есакі в 1957 р.

Тунельний ефект полягає в тому, що електрони проходять через потенціальний бар'єр n-p-переходу без зміни своєї енергії. Внаслідок високої концентрації домішок в обох частинах напівпровідника ширина n-p-переходу до 0,01 мкм, що зумовлює підвищення напруженості електричного поля в ньому до 10⁸ В/м. За таких умов електрон, який рухається в бік малого

 

Рис. 3.13. Паралельне (а) і послідовне (б) з’єднання напівпровідникових діодів з

використанням допоміжних вирівнювальних резисторів

потенціального бар'єра, проходить через нього, як крізь «тунель», і займає вільний стан з тією самою енергією по другий бік від бар'єрного шару.

Слід зазначити, що тунельний ефект спостерігається як для прямого, так і для зворотного вмикання діода, тобто n-p-перехід для тунельної складової струму втрачає однобічну провідність, зберігаючи її лише для дифузійної складової, яка в напівпровідниках з високою концентрацією домішок значно менша, ніж у звичайних n-p–переходах. Повний струм n-p-переходу показано на ВАХ тунельного діода (рис. 3.14). Він складається з трьох компонентів: прямого та зворотного тунельних струмів і дифузійного струму:

I = I_{т. пр} – I_{т. зв} + I_диф. (3.7)

Особливість цієї ВАХ полягає в тому, що в інтервалі між деякими напругами U₁ й U₂ вона має спадну ділянку АВ. Це можна пояснити так: збільшення прямо ї напруги має спричинювати зростання тунельної складової струму, але, з іншого боку, при цьому зменшується напруженість електричного поля в n-p–переході, і тому на ділянці АВ тунельний струм спадає, а при U = U₂ (коли зникає потенціальний бар’єр) він дорівнює нулю і далі через перехід проходить лише дифузійний струм, який і визначає загальний струм за межами U₂.

На ділянці АВ n-p-перехід еквівалентний деякому негативному опорові

. (3.8)

За допомогою цього опору можна компенсувати витрати енергії на позитивному опорі та виконати підсилення, генерацію або перетворення електричних сигналів. На використанні явища тунельного ефекту ґрунтується дія тунельних діодів, що застосовуються в діапазоні частот до 10¹¹ Гц, оскільки тунельний перехід відбувається практично миттєво — за 10^–13 с.

Зважаючи на те, що при тунельному переході електрони не витрачають своєї енергії, тунельні діоди можуть працювати при дуже низьких температурах, коли звичайні напівпровідникові прилади вже не працюють. Тунельні діоди можуть працювати також при вищих температурах, ніж звичайні напівпровідники. Однією з переваг тунельних діодів є те, що вони споживають дуже малу потужність, яка не перевищує 1 % потужності звичайного напівпровідникового діода.

Під час проходження прямого струму через n-p-перехід відбувається інтенсивна рекомбінація електричних зарядів. Енергія, що виділяється при їх рекомбінації у більшості напівпровідників, залишається в кристалічних ґратках і перетворюється на теплоту. Проте в напівпровідниках, які містять карбід силіцію SіС, галій Gа, арсен Аs та деякі інші елементи, рекомбінація зарядів супроводжується випромінюванням. Тому в таких напівпровідниках проходження прямого струму спричинює некогерентне випромінювання хвиль. Ця властивість п-р-переходу використовується для побудови світлодіодів. Випромінювання останніх хоч і некогерентне, але завжди має якийсь колір. Найпоширенішими є світлодіоди з жовтим, червоним, зеленим випромінюванням хвиль.

Якщо подіяти світлом на площинний n-p-перехід і прилеглі до нього ділянки, то виникає електрорушійна сила внаслідок фотогальванічного ефекту. Під дією світла в напівпровіднику утворюються додаткові електрони та дірки, частина яких рухається в напрямку n-p-переходу. Неосновні носії, для яких поле n-p-переходу є прискорювальним, відкидаються ним: дірки в p-, а електрони в n- частину. Основні ж носії зарядів затримуються полем переходу й утворюють додаткову різницю потенціалів, яка називається фотоелектрорушійною силою. Значення цієї різниці потенціалів становить десяті частки вольта і залежить від інтенсивності світлового потоку. Фотогальванічний ефект лежить в основі роботи фотоелементів, фотодіодів, фототранзисторів, які виготовляють на основі селену, германію, сульфату галію. Фотодіоди можна вмикати в схеми із зовнішнім джерелом або без нього. Останній режим роботи називають вентильним.

Крім розглянутих вище властивостей n-p-переходу при прямому вмиканні для побудови деяких типів напівпровідникових діодів використовуються властивості n-p-переходу площинної конструкції при зворотному вмиканні.

При площинній конструкції шар напівпровідника з просторовим електричним зарядом і збіднений основними носіями зарядів може розглядатись як конденсатор. Збільшенням напруги при зворотному вмиканні можна збільшувати ширину збідненої носіями зарядів зони, тобто зменшувати бар’єрну ємність напівпровідникового конденсатора. Отже, n-p-перехід має властивості керованої електричним способом змінної ємності. Ця властивість

Рис. 3.15. Вольт-пікофарадна характеристика Рис. 3.16. Схема вмикання (а) і ВАХ варикапа (а) і схема вмикання варикапів у (б) стабілітрона

коливальний контур (б)

 

застосовується при побудові варикапів — таких площинних напівпровідникових діодів, у яких за допомогою зовнішньої зворотної напруги керують значенням бар'єрної ємності. Варикапи використовують для електронного перестроювання резонансної частоти контуру і частотної модуляції високочастотного коливання.

На рис. 3.15 показано вольт-пікофарадну характеристику варикапа (а) і схему вмикання варикапів у коливальний контур (б). Керувальна напруга подається на варикапи VD1, VD2 через високоомний резистор R1. Ємність варикапів змінюється потенціометром R2. Наявність послідовного за високою частотою вмикання варикапів зменшує вплив змінної напруги коливального контуру на резонансну частоту, оскільки будь-яка зміна високочастотної напруги на контурі спричинює збільшення ємності одного варикапа і точнісінько таке саме зменшення ємності іншого варикапа. За постійною напругою варикапи ввімкнені паралельно.

Зворотне вмикання n-p-переходу застосовується також при побудові стабілітронів, робота яких ґрунтується на стабілізуючих властивостях явища електричного пробою. Для виготовлення стабілітронів використовують силіцій, що має вищу температурну стабільність, ніж германій. Завдяки внутрішній електростатичній емісії під дією сильного електростатичного поля, створеного зворотною напругою, виникає електричний пробій напівпровідника, наслідком якого є зворотний струм, практично незалежний від подальшої зміни напруги. Цей електричний пробій оборотний, тобто він не супроводжується руйнуванням n-p-переходу.

Суть електричного пробою полягає в тому, що, рухаючись з великою швидкістю, електрони при зіткненні з нейтральними атомами в зоні n-p-переходу іонізують їх, створюючи нові вільні електрони і дірки. Цей процес має лавиноподібний характер, що зумовлює значне зростання струму. Електричний пробій у стабілітронах відбувається при низьких зворотних напругах; тому потужність, яка виділяється в п -р-переході, мала і теплового пробою немає.

Схему вмикання і ВАХ стабілітрона зображено на рис. 3.16, а та 6 відповідно.