Материал: Характеристика полупроводникового стабилитрона

Изменение величины напряженности электрического поляЕ представлено на рисунке 6. Напряженность электрического поля Е максимальна на границе р-и n-областей, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда.

Рисунок 6 - Зависимость напряженности электрического поля Е от координаты x.

В этом сечении полупроводника крутизна кривой φ(x) максимальна.Напряженность электрического поля представляет собою градиент потенциала, т. е. характеризуется скоростью изменения потенциала с изменением координаты. Поэтому максимальной крутизне кривой φ(x), точке ее перегиба, будет соответствовать максимальное значение напряженности электрического поля Е. При удалении от р- и n-областей напряженности поля убывает. Там, где объемный заряд равен нулю, электрическое поле отсутствует.

Таким образом, область, обеднённая свободными носителями заряда со своим собственным электрическим полем называется р-n переходом. Область перехода является наиболее высокоомной частью диодной структуры. n-переход характеризуется двумя основными параметрами:

) Высотой потенциального барьера. Она равна контактной разности потенциалов. Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда. Контактная разность потенциалов представляет энергию, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер:

гдеk = 1,38•10-23 Дж/К- постоянная Больцмана;е- заряд электрона;

Т- абсолютная температура ;ррирn- концентрации дырок в р-иn-областях соответственно ;nриnn- концентрации электронов в р-иn-областях соответственно, - температурный потенциал. При температуре

Т = 270С0.025 В.Для германиевого перехода контактная разность потенциалов0,6В, а для кремниевого перехода0,8В.

) Ширинаp-n-переходаlp-n(рисунки 3) - это приграничная область, обеднённая носителями заряда, которая располагается между p- иn-областях:

n = lp +ln, где

(2)

гдеε- относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника;ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума; NAи ND-концентрация акцепторов и доноров. Из формулы (2) видно, что ширинаp-n-перехода зависит от концентраций акцепторов и доноров.

Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок (0,1-10) мкм. Чем толще p-n-переход,тем больший ток может протекать без его повреждения, тем на большую допустимую мощность рассчитан диод.

. Типы р-n-переходов в диодах

Несимметричным называют такой p-n-переход, в котором концентрации акцепторов и доноров существенно различаются (Na>Nдили Na<Nд), аобласти, обедненные свободными зарядами, неравны по размерам (lp<lnили lp>ln).Переход располагается в большей степени в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.

Переходы, в которых имеется скачкообразное изменение концентрации на границе слоев, называются ступенчатыми.По соотношению концентраций основных носителей (электронов nn и дырок pp) или по соотношению концентраций ионов акцепторов Na и доноров Nд в р и п слоях кристалла переходы делятся на симметричные и несимметричные. Если pp = nn или Na = Nд, то lp =ln и p-n-переход называется симметричным. (На рисунках 1 и 2 приведены концентрации Na и Nд, ppи nn для ступенчатого симметричного перехода). Если Na>Nд (Na<Nд) то lp<ln (lp>ln)  и p-n-переход называется несимметричным.Симметричные переходы, где концентрации основных носителей в обоих слоях почти одинаковы, трудно реализовать практически.Поэтому они не являются типичными. Большее распространение получили несимметричные переходы, в которых выполняются неравенства pp > nn(Nа > Nд )или nn > pp (Nд > Nа ), и концентрации различаются в несколько раз.

5.p-n-переход при внешнем напряжении, приложенном к нему

В равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-n-переход движутся два встречных потока зарядов, протекают два тока. Это:

дрейфовый ток неосновных носителей заряда- Iдр;

диффузионный ток, который связан с движением основных носителей заряда- Iдиф.

Так как внешнее напряжение отсутствует,и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый ток и диффузионный ток взаимно уравновешиваются.Поэтому результирующий ток, равный алгебраической сумме токов, равен нулю

др + Iдиф = 0 (3)

Это соотношение называется условием динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном)p-n-переходе.

Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов вn-переходе и он переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения приложенного к областям в p-n-переходе возможно два режима работы стабилитрона.

. Прямое смещение p-n-перехода

Если положительный полюс источника постоянного напряжения подсоединен кр-области, а отрицательный - к n-области,то p-n-переход смещён в прямом направлении (рисунок 7)

При прямом смещении, контактная разность потенциалов φк и напряжение источника U направлены встречно.Результирующее напряжение на p-n-переходе убывает до величиныφк - U . Это приводит к тому, что:

) напряженность электрического поля на p-n-переходе убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда.Ток диффузии, ток основных носителей заряда, становится много больше дрейфового тока. Таким образом, через p-n-переход протекает прямой ток равный

р-n-Iп-р=Iдиф-Iдр ≈ Iдиф (4)

) ширина p-n перехода уменьшается. Согласно теории lp-n ≈ (φк - U )1/2.

) сопротивление p-n перехода при прямом смещении мало и не превышает нескольких десятков Ом.

При протекании прямого тока основные носители заряда переходят из одной области в другую (дырки из р-области переходят в n-область, а электроны из n-области - в р-область), где становятся неосновными. Диффузионный процесс проникновения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток - диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда, накапливающихся в p и n-областях, во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т.е. принцип электронейтральности сохраняется.

При увеличении напряжения источника Uток через p-n-переход резко возрастает по экспоненциальному закону Iпр =I0exp(U/φT) и может достигать больших величин, т.к. связан с основными носителями, концентрация которых велика.

. Обратное смещение p-n-перехода

Если кр-области p-n-перехода приложен минус, а к n-области плюс внешнего источника напряжения (рисунок 8), то p-n-переход обратно смещен.

Напряжение внешнего источника увеличивает высоту потенциального барьера до величиныφк + U . Напряженность электрического поля возрастает; ширина p-n-перехода увеличивается, т.к. lp-n ≈ ( φк + U )1/2 . Процесс диффузии полностью прекращается и черезp-n-переход протекает только дрейфовый ток, ток неосновных носителей заряда. Такой ток p-n-перехода называют обратным, а поскольку он связан с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации, то его называют тепловым током и обозначают I0 , т.е.

In-p=Iобр=Iдиф+Iдр ≈Iдр= I0.

Этот ток мал по величине, т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной. Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубиныp- иn-областей к границе p-n-перехода. Достигнув ее, неосновные носители попадают в сильное электрическое поле и переносятся через p-n переход, где становятся основными носителями заряда. Диффузия неосновных носителей заряда к границе p-n-перехода и дрейф через него в область, где они становятся основными носителями заряда, называется экстракцией. Экстракция и создает обратный токp-n-перехода- это ток неосновных носителей заряда.

Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода.Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия(на 3-4 порядка),что связано с различием контактной разности потенциалов материалов.

С увеличением площади перехода возрастает его объем, а следовательно, возрастает число неосновных носителей, появляющихся в результате термогенерации. Тепловой ток при этом растет.

Сопротивление p-n перехода при обратном напряжении велико и может достигать десятков, сотен кОм и даже МОм.Таким образом, p-n-переход обладает односторонней проводимостью: он пропускает ток только в одном направлении.

Итак, главное свойство p-n-перехода -его односторонняя проводимость.

. Полупроводниковые диоды. Их вольтамперные характеристики

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя слоями проводимости (р-n-переход), заключенный в корпус и два вывода для присоединения его к электрической цепи.Схематическое устройство плоскостного диода показано на рисунке 9а. Один из способов изготовления таких диодов следующий. На поверхности полупроводникой пластины с электронной проводимостью площадью 2-4 мм2 и толщиною в несколько десятых долей миллиметра расплавляют маленький кусочек индия (акцептор). Атомы индия диффундируют в пластинку, образуя область с дырочной проводимостью. Между двумя областями полупроводника с различным типом проводимости возникает p-n-переход. Одна из областей р-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

Схемное обозначение полупроводникового диода показано на рисунке 9б. В основе символа положена стрелка, указывающая направление прямого тока через диод.

Для диодов очень важной характеристикой является зависимость тока, протекающего через диод, от величины постоянного напряжения, приложенного к клеммам диода. Эта характеристика называется статической вольтамперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода. ВАХ разных диодов представлены на рисунке 10.

Рисунок 9 -Структура полупроводникового диода, полученного методом сплавления (а) и схемное обозначение полупроводникового диода (б)

Рисунок 10 - Вольтамперные характеристики для германиевого (Ge) и кремниевого(Si)диодов. Пунктиром показана теоретически рассчитанная характеристика p-n перехода

Теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяется соотношением

I = I0 (exp (U/mφT) - 1) (5)

где Iо - обратный ток насыщения (ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); U - напряжение на p-n-переходе;- температурный потенциал (k=1.38·10-23 Дж/К- постоянная Больцмана,Т - температура, е - заряд электрона); m - поправочный коэффициент: m = 1для германиевых р-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе).

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми, вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов на рисунке 10 практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых.

При изменении температуры германиевого диодас протекающим постоянным током, напряжения на нем изменяется приблизительно на 2,5 мВ/°С:

/dT= -2,5 мВ/°С. (6)

Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от -1,5 мВ/°С в нормальном режиме.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 - 100 °С для германиевых диодов и 150 - 200 °С для кремниевых.

Минимально допустимая температура диода лежит в пределах -(60 - 70)°С.

Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:

ДИФ = dU/dI (7)

Статическим сопротивлением диода называют отношение напряжения, приложенного к зажимам диода, к величине тока, протекающего через диод при этом напряжении: Rст = U/I. Часто в качестве U и I принимают номинальные значения напряжения и силы тока.

. Типы пробоев p-n-перехода. Вольтамперная характеристика стабилитрона