Явления на поверхности полупроводника

 

В результате взаимодействия полупроводника и окру­жающей среды на поверхности кристалла образуются раз­личные соединения, отличающиеся по своим свойствам от основного материала. Кроме того, обработка кристалла приводит к дефектам кристаллической решетки на поверх­ности полупроводника. По этим причинам возникают по­верхностные состояния, повышающие вероятность появ­ления свободных электронов или незаполненных ковалентных связей. Энергетические уровни поверхностных состоя­ний могут располагаться в запрещенной энергетической зоне и соответствовать донорным и акцепторным примесям.

Поверхностные состояния меняют концентрацию носи­телей заряда, и в приповерхностном слое полупроводника возникает объемный заряд, приводящий к изменению уров­ня Ферми. Поскольку в состоянии равновесия уровень Ферми во всем кристалле полупроводника одинаков, поверх­ностные состояния вызывают искривление энергетических уровней в приповерхностном слое полупроводника.

В зависимости от типа полупроводника и характера по­верхностных состояний может происходить обеднение или обогащение поверхности кристалла носителями заряда.

Обеднение возникает в том случае, если поверхност­ный заряд совпадает по знаку с основными носителями заряда. На рис. 1.25 показано образование обедненного слоя на поверхности полупроводника n-типа при такой плотности поверхностных состояний, что уровни W_in и W_фn не пересекаются. Повышение плотности пространст­венного заряда может привести к пересечению уровня Ферми с уровнем середины запрещенной зоны (рис. 1.26), что соответствует изменению типа электропроводности у поверхности полупроводника. Это явление называют ин­версией типа электропроводности, а слой, в котором. оно наблюдается, - инверсным слоем.

Рис. 1.25 Образование обедненного слоя на поверхности полупроводника n-типа.

Рис. 1.26 Изменение типа электропроводимости на поверхности полупроводника n-типа.

 

Если знаки поверхностного заряда и основных носите­лей противоположны, происходит обогащение приповерхностной области основными носителями зарядов. Такую область называют обогащенным слоем (рис. 1.26).

Электропроводность приповерхностного слоя полупро­водника может изменяться под действием электрического поля, возникающего за счет напряжения, прикладываемо­го к металлу и полупроводнику, разделенным диэлектриком. Если предположить, что до включения напряжения поверх­ностные состояния на границе полупроводника и диэлект­рика отсутствуют, то электропроводности приповерхност­ного слоя и объема полупроводника будут одинаковыми.

При включении напряжения между металлом и полу­проводником возникает электрическое поле, и на поверх­ности металла и в приповерхностном слое полупроводни­ка, как на пластинах конденсатора, накапливаются заряды. Например, если полупроводник электронный и к нему прикладывается отрицательное напряжение, то под дейст­вием электрического поля у

Рис. 1.27 Образование обогащенного слоя на поверхности полупроводника n-типа.

Рис. 1.28 График изменения типа электропроводности на поверхности полупроводника.

 

поверхности увеличиваются концентрация электронов и электропроводность приповерхностного слоя полупроводника (см. рис. 1.27). При изме­нении полярности напряжения концентрация электронов в приповерхностном слое уменьшается, а дырок - увели­чивается. В связи с этим электропроводность приконтактной области уменьшается, стремясь к собственной. Уве­личение напряжения приводит к тому, что концентрация дырок становится выше концентрации электронов и про­исходит изменение (инверсия) типа электропроводности слоя. При этом электропроводность приповерхностного слоя увеличивается. Зависимость электропроводности припо­верхностного слоя полупроводника n-типа от напряжения показана на рис. 1.28. Это явление принято называть эф­фектом поля.

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Классификация

 

Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам:

- методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шоттки и др.;

- материалу: германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др.;

- физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна и др.;

- назначению: выпрямительные, универсальные, импульс­ные, детекторные, стабилитроны, варикапы, параметрические, смеситель­ные, СВЧ-диоды и др.

Некоторые из указанных типов диодов по назначению будут рас­смотрены в настоящей главе, а другие - в соответствующих учебных пособиях.

 

Выпрямительные диоды

 

Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Низкочастотные служат для выпрямления напряжения промышленной частоты (50 или 400 Гц). В высокочастотных частота выпрямляемого напряжения составляет десятки кГц. Основой диода является обычный p-n переход. В плоскостных диодах p-n переход имеет достаточную площадь для того, чтобы обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений диод обычно выполняется из высокоомного материала.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются (рис. 3.1):

· максимальный прямой ток I_{ПР MAX},

· падение напряжения U_ПР на диоде при заданном значении прямого тока I_ПР (или наоборот) (U_ПР» 0,3…0,7 В для германиевых и U_ПР» 0,8…1,2 В для кремниевых диодов);

· максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода U_{ОБР MAX},

· обратный ток I_ОБР при заданном обратном напряжении U_ОБР (значение обратного тока германиевых диодов на два-три порядка больше, чем у кремниевых);

· диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;

· рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне

-60...+70°С, кремниевые - в диапазоне -60...+150°С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

Рис. 3.1. К определению параметров выпрямительных диодов

 

На рисунке 3.2 приведена схема включения диода с нагрузкой. При этом напряжение генератора U_Г делится между нагрузочным сопротивлением и диодом:

. (3.1)

Рис.3.2. Схема включения диода с нагрузкой

Рис. 3.3. К определению параметров схемы включения диода с нагрузкой

 

Очевидно, что ток, протекающий через резистор и диод одинаковый.

Учитывая, что U_R=I∙R, получаем

. (3.2)

Выражение (3.2) является уравнением нагрузочной прямой (рисунок 3.3). ВАХ диода (прямая ветвь) имеет экспоненциальный вид. Точка А на ВАХ, для которой выполняется условие равенства токов, называется рабочей точкой, а величина - сопротивлением цепи по постоянному току.

Схема простейшего выпрямителя имеет вид в соответствии с рисунком 3.4. Она включает генератор переменного напряжения, диод и последовательно включенный с диодом нагрузочный резистор.

Осциллограммы напряжений и токов приведены на рисунке 3.5.

При работе с переменным сигналом, входное напряжение есть U_Г(t) (рисунок 3.5 а), а выходное – U_Н(t). В промежутки времени, когда к диоду приложено прямое напряжение (положительный полупериод), его сопротивление оказывается небольшим, и форма тока в цепи будет повторять форму входного напряжения в соответствии с рисунком 3.5, б и все входное напряжение будет практически падать на резисторе (рисунок 3.5 б). При отрицательном полупериоде диод смещен в обратном направлении, его сопротивление достаточно велико, ток в цепи практически становится равным обратному току диода, и большая часть входного напряжения упадет на диоде (рисунок 3.5 в).

 

Рис. 3.4. Схема включения диода на переменном токе а) и

 

Для того чтобы из пульсирующего напряжения выделить постоянную составляющую, в схему выпрямления параллельно резистору включают конденсатор (на рисунке 3.4 изображен пунктиром). Тогда выходное напряжение при положительном полупериоде станет определяться напряжением на емкости нагрузки C_Н и конденсатор при этом будет заряжаться током диода, а при отрицательном полупериоде – соответственно разряжаться через сопротивление нагрузки (рисунок 3.5 г, кривая 1 – при отсутствии конденсатора, кривые 2 и 3 с увеличением номинала емкости соответственно. Величины C_Н и R_Н подбирают таким образом, чтобы пульсации выходного напряжения оставались не выше заданных пределов.

Рис. 3.5. Эпюры напряжений и токов

 

При протекании больших прямых токов I_ПР на диоде выделяется соответствующая мощность. Для отвода данной мощности и исключения перегрева диод должен иметь большую площадь p-n перехода, корпуса и выводов. Для улучшения теплоотвода используются радиаторы или различные способы принудительного охлаждения (воздушного или даже жидкостного).

Среди выпрямительных диодов следует особо выделить диод с барьером Шоттки. Этот диод характеризуется высоким быстродействием и малым падением напряжения (U_ПР < 0,6 В). К недостаткам диода следует отнести малое пробивное напряжение и большие обратные токи.

Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3 А, от 0,3 А до 10 А и свыше 10 А соответственно.

Для работы с высокими напряжениями (свыше 1000 В) предназначены выпрямительные столбы, представляющие собой последовательно соединенные p-n переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие

I_{ПР MAX} до 1 А и U_{ОБР MAX} до 600 В.