Основные теоретические положения

Электронно-дырочный переход [3] является основой полупроводниковых приборов, применяемых для преобразования, усиления и генерирования электрических сигналов. Широкий диапазон изменения электрических свойств перехода в зависимости от используемых полупроводниковых материалов, степени их легирования и технологии изготовления позволяет создавать различные типы полупроводниковых диодов, среди которых наибольшее распространение получили выпрямительные диоды, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы и др.

Наиболее широкое распространение получили электронно-дырочные переходы, образующиеся в полупроводниковых структурах с двумя различными видами проводимости. Различная концентрация однотипных подвижных носителей заряда в p- и n-областях приводит к диффузии электронов из
n-области в р-область и дырок из р-области в n-область. В результате перераспределения зарядов вблизи контакта образуется тонкий слой нескомпенсированного пространственного заряда неподвижных положительных ионов доноров в n-области и отрицательных ионов акцепторов р-области. Этот слой носит название р– n-перехода. В связи с тем, что область р– n-перехода обеднена подвижными носителями заряда ее часто называют обеднённой областью.

Чаще всего используют несимметричные переходы с разной концентрацией примесей в р- и n-областях. Различная концентрация примесей создает разную плотность нескомпенсированного заряда в двухслойной структуре перехода и, как следствие этого, разную толщину слоев. В сильнолегированной области, называемой эмиттером, толщина обеднённого слоя значительно тоньше, чем в слаболегированной области, которую называют базой.

Между разноименными зарядами р– n-перехода возникают электрическое поле и потенциальный барьер (рис. 4.1, а), препятствующий дальнейшему дрейфу основных носителей заряда через переход. Возникает равновесное состояние, при котором процесс диффузии подвижных носителей зарядов, вызванный наличием градиента их концентраций, уравновешивается противоположным по направлению процессом дрейфа носителей заряда под действием электрического поля перехода.

При прямом включении диода (“плюс” – к зоне р и “минус” – к зоне n) поле внешнего источника противоположно полю обеднённого слоя, в результате чего ширина р– n -перехода сужается, пространственный заряд уменьшается, а высота потенциального барьера снижается на значение приложенного напряжения  (рис. 4.1, б). Как следствие нарушается равновесное состояние перехода и создаются условия для диффузии подвижных носителей заряда из области, где они являются основными, в область, где они становятся неосновными. Такой процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда.

Рис. 4.1

Под действием инжекции на границах обеднённой области возникают избыточные неравновесные концентрации неосновных носителей заряда: дырок в n-области и электронов в р-области. Эти избыточные носители заряда диффундируют в глубь однородных областей, постепенно рекомбинируя с основными носителями заряда. В результате избыточные концентрации инжектируемых носителей заряда постепенно убывают и на расстоянии их диффузионной длины уменьшаются в е раз. Сила прямого тока определяется градиентом концентраций неравновесных носителей заряда на границах обеднённой области, который зависит от количества инжектируемых носителей заряда, а следовательно, от приложенного прямого напряжения.

При обратном включении диода («плюс» – к зоне n и «минус» – к зоне р) результирующее электрическое поле в p – n -переходе, ширина обеднённого слоя и пространственный заряд увеличиваются. В этих условиях (рис. 4.1, в) основные носители заряда не могут преодолеть высокий потенциальный барьер, и их диффузионный ток равен нулю. С другой стороны, сильное электрическое поле перехода не препятствует прохождению через него неосновных носителей, т. е. дырок из n-области и электронов из р-области; при этом граничные концентрации неосновных носителей уменьшаются почти до нуля. За счет образовавшегося обратного градиента неосновных носителей заряда вблизи обеднённой области происходят их диффузия к границе обеднённой области и дальнейшая экстракция через переход его электрическим полем, которое является ускоряющим для неосновных носителей. Возникающий обратный ток сравнительно мал из-за малой концентрации неосновных носителей заряда.

В отличие от прямого тока обратный ток почти не зависит от приложенного обратного напряжения, так как оно не влияет на концентрацию неосновных носителей заряда и величину их градиента у перехода. Однако этот ток зависит от температуры, поскольку с ее увеличением растут концентрации неосновных носителей заряда и их градиент. В связи с такой зависимостью обратный ток называют тепловым током. Тепловой ток характерен для германиевых диодов. В кремниевых диодах при обратных напряжениях преобладает ток генерации, возникающий в объеме обеднённой области. Этот ток зависит от обратного напряжения, так как с его ростом увеличиваются электрические поле перехода и объем обеднённой области.

Теоретическая зависимость тока от напряжения на диоде может быть представлена уравнением                                     
                                         ,
где  – тепловой ток насыщения;  – заряд электрона;  – постоянная Больцмана; T – температура.

Это уравнение получено при условии, что все напряжение источника питания приложено к электронно-дырочному переходу. В реальном приборе часть напряжения теряется на сопротивлении однородных областей и контактах. В связи с этим прямой ток диода имеет меньшее значение, чем вычисленный по формуле.

При достижении обратного напряжения некоторого критического значения наблюдается пробой перехода, приводящий к резкому увеличению обратного тока диода. Напряжение, при котором начинает происходить пробой, называется пробивным напряжением  (рис. 4.2, а).

В германиевых диодах чаще всего проявляется тепловой пробой, который является следствием нарушения теплового баланса диода. Увеличение обратного напряжения на диоде приводит к росту обратного тока и мощности, выделяемой в диоде. При этом повышается температура диода, увеличивается концентрация неосновных носителей заряда, что приводит к новому приращению тока. В результате возникает положительная обратная связь. Если не предусмотреть мер по ограничению тока, то диод может выйти из строя.

Рис. 4.2

В кремниевых диодах наблюдаются как лавинный, так и туннельный пробои. Лавинный пробой возникает в результате ударной ионизации атомов полупроводника и лавинного размножения пар носителей заряда под действием сильного электрического поля в обеднённой области. Напряжение лавинного пробоя зависит от ширины обеднённой области и определяется концентрацией примеси полупроводника: чем выше концентрация примеси, тем меньше напряжение пробоя.

При очень высокой концентрации примесей, когда ширина р– n -перехода становится достаточно малой, может возникнуть туннельный пробой. В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, при котором электроны, находящиеся в валентной зоне р-области, переходят в зону проводимости
n-области без изменения своей энергии.

В результате туннельного эффекта при прямом включении в р– n -переходе на основе вырожденных полупроводников c концентрацией примесей   прямая   ветвь   вольт-амперной   характеристики   имеет  N-образный участок (рис. 4.2, б). Туннельный ток при положительном напряжении создается электронами зоны проводимости n -области, которые проходят через тонкий переход в валентную зону р-области без изменения энергии, где они рекомбинируют с имеющимися там дырками. Наибольшая вероятность туннелирования возникает при небольших прямых напряжениях
(0,04 … 0,15 В) и заметно снижается уже при напряжениях 0,25 … 0,5 В. При таких напряжениях обычный прямой ток инжекции еще очень мал и основную роль играет туннельный ток, который достигает максимума в точке  при напряжении  и затем спадает. При дальнейшем увеличении прямого напряжения с постепенным уменьшением потенциального барьера возникает ток инжекции, как в обычных переходах. При этом возникает минимальный ток  при некотором напряжении . Характерной особенностью такой характеристики является участок между напряжениями и  с отрицательным дифференциальным сопротивлением, позволяющим использовать его для усиления электромагнитных колебаний.

Теоретическая вольт-амперная характеристика диода с туннельным эффектом представляется следующей зависимостью:
                                 где .

Рассмотрим некоторые типы полупроводниковых диодов.

Выпрямительные диоды  широко используются в выпрямительных схемах для преобразования переменного напряжения в постоянное и характеризуются следующими параметрами:  – прямое падение напряжения на диоде (среднее за период);  – среднее за период значение прямого тока;  – среднее за период значение обратного напряжения;  – среднее за период значение обратного тока; – максимальное обратное напряжение; – максимальное значение прямого тока.

Электрические свойства выпрямительных диодов зависят от материала полупроводника, из которого они изготовлены. Наибольшее распространение получили выпрямительные плоскостные германиевые и кремниевые диоды.

Основным преимуществом германиевых диодов является малое значение прямого напряжения, которое составляет 0,2…0,5 В. В кремниевых диодах это значение равно 0,7…1 В. С другой стороны, кремниевые диоды выдерживают значительно большие обратные напряжения: если для германиевого диода допустимое обратное напряжение не превышает 400 В, то для кремниевого диода это напряжение может доходить до 2000 В.

Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, используемые в схемах стабилизации напряжения. Работа стабилитрона основана на явлении электрического пробоя р– n -перехода, при котором напряжение на стабилитроне остается почти неизменным в широком диапазоне изменения тока. Это напряжение принято называть напряжением стабилизации. Стабилитроны изготавливают с напряжениями стабилизации в пределах 3…400 В.

Для стабилитронов характерны следующие параметры:
– напряжение стабилизации; – динамическое сопротивление,
– статическое сопротивление в точке стабилизации; – минимальный и максимальный токи стабилизации;  – температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Качество стабилизации напряжения определяется динамическим сопротивлением стабилитрона. Чем меньше это сопротивление, тем выше качество стабилизации напряжения. Это сопротивление колеблется для различных по мощности стабилитронов от единиц ом до 100…200 Ом. Значение динамического сопротивления  можно определить экспериментально измерением приращений тока и напряжений на рабочем участке характеристики.

Статическое сопротивление стабилитрона характеризует потери в диоде в рабочей точке.

Для нормальной работы стабилитрона его ток должен превышать некоторое значение , при котором возникает режим устойчивого пробоя. С другой стороны, ток через диод не должен превышать значения  ввиду опасности возникновения теплового пробоя и выхода прибора из строя.

Влияние температуры на изменение напряжения стабилизации характеризуется температурным коэффициентом напряжения стабилизации, который представляет собой относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус:                                .

Температурный коэффициент напряжения стабилизации может иметь как положительные (при лавинном пробое), так и отрицательные (при туннельном пробое) значения. Изменение знака  соответствует напряжению стабилизации 6 B. У стабилитронов с таким напряжением стабилизации значения  минимальны. При больших значениях напряжений стабилизации температурный коэффициент напряжения стабилизации может быть уменьшен с помощью изготовления специальных стабилитронов с термокомпенсацией, в которых имеются два последовательно включенных диода. Дополнительный диод работает в прямом включении. С увеличением температуры напряжение на этом диоде падает и тем самым компенсирует увеличение напряжения на диоде стабилитрона. У таких стабилитронов температурный коэффициент напряжения стабилизации имеет очень малые значения, порядка .

 Вольт-амперная характеристика стабилитрона с термокомпенсацией при его прямом включении резко отличается от подобной характеристики обычного стабилитрона. Если у обычного стабилитрона прямой ток соответствует прямой ветви ВАХ р– n -перехода, то в стабилитроне с термокомпенсацией при прямом включении ток очень мал, так как он ограничен обратносмещенным дополнительным диодом.

Туннельные диоды используются для усиления и генерации электромагнитных колебаний различных частот. Основными материалами для изготовления туннельных диодов являются германий и арсенид галлия. Кроме рассмотренных общих параметров диодов туннельные диоды характеризуются также и некоторыми дополнительными параметрами:    
– отношение токов в максимуме и в минимуме их характеристики; – перепад напряжений рабочего участка характеристики; – дифференциальное отрицательное сопротивление в средней точке рабочего участка характеристики; – максимально допустимый прямой ток.

Характерные значения этих параметров для туннельных диодов из германия составляют = 3…10, = 0,2…0,3 В, а для арсенида   галлия – = 10, = 0,3…0,35 B. Значение дифференциального сопротивления для этих диодов колеблется в пределах от десятых долей ома до единиц килоом.

Положительной особенностью туннельных диодов является тот факт, что туннелирование носителей заряда происходит за очень короткий промежуток времени, с, поэтому туннельные диоды могут работать на частотах до сотен гигагерц.

Так как туннельный эффект проявляется без затраты тепловой энергии, туннельные диоды могут работать в очень широком диапазоне температур, от –269 до 200 °С (Ge) и до 400 °С (GaAs). Кроме того, туннельные диоды обладают стойкостью к радиации.

Помимо обычных туннельных диодов широко используются так называемые обращенные туннельные диоды с несколько меньшей степенью легирования полупроводника, чем у обычных туннельных диодах. В таких приборах туннельный эффект выражен слабее и на его вольт-амперной характеристике не наблюдается явно выраженный максимум.

Обращенные туннельные диоды используют в качестве детекторных и смесительных приборов, для которых требуется большая нелинейность вольт-амперной характеристики. Рабочая область обращенного туннельного диода захватывает участок с отрицательным напряжением, где наблюдается туннельный пробой, и участок с положительным напряжением, на котором проявляется слабая зависимость тока от напряжения. В этом случае рабочая точка соответствует нулевому напряжению, при котором наблюдается наибольшая нелинейность вольт-амперной характеристики.