ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

 

Методические указания к лабораторной работе

 

 

Владивосток

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

 

Методические указания к лабораторной работе

 

 

Владивосток

Издательство Дальневосточного университета

 

 

УДК 621. 369. 6 (075. 8)

 

 

В настоящей работе рассматриваются различные типы полупроводниковых диодов в зависимости от используемых физических свойств p-n перехода.

Приводятся схемы и методики снятия вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик диодов.

Методические указания рассчитаны на студентов физического факультета, изучающих дисциплину «Основы радиоэлектроники», и могут быть также полезны студентам-геофизикам.

 

Составитель Г.Ф. Абрамов

Печатается по решению учебно-методического

Совета ДВГУ

 

 

С Издательство Дальневосточного университета, 1998

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

 

 

Цель работы - изучение основных типов полупроводниковых диодов на основе физических свойств p-n - перехода.

 

1. Свойства p-n - перехода. Основные типы полупроводниковых диодов

 

Принцип действия полупроводниковых приборов объясняется свойствами так называемого электронно-дырочного перехода (p-n - перехода) - зоной раздела областей полупроводника с разным механизмами проводимости (n-типа, или электронной проводимостью с одной стороны от электронно-дырочного перехода p-n - типа, или дырочной проводимостью - с другой).

Для создания в исходном полупроводнике (обычно 4-валентном германии или кремнии) проводимости n- или p-типа в него добавляют атомы 5-валентной или 3-валентной примесей соответственно (фосфор, мышьяк или алюминий, индий и др.)

Атомы 5-валентной примеси (доноры) легко отдают один электрон в зону проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не занятых в образовании ковалентных связей; проводник приобретает проводимость n-типа. Введение же 3-валентной примеси (акцепторов) приводит к тому, что последняя, отбирая по одному электрону от атомов полупроводника для создания недостающей ковалентной связи, сообщает ему проводимость p-типа, так как образующиеся при этом дырки (вакантные энергетические уровни в валентной зоне) ведут себя в электрическом или магнитном полях как носители положительных зарядов. Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.

Если полупроводники с разными типами проводимости привести в соприкосновение (контакт создается технологическим путем, но не механическим), то электроны в полупроводнике n-типа получают возможность занять свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. Произойдет рекомбинация электронов с дырками вблизи границы разнотипных полупроводников.

Этот процесс подобен диффузии свободных электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и диффузии дырок в противоположном направлении. В результате ухода основных носителей заряда на границе разнотипных полупроводников создается обедненный подвижными носителями слой, в котором в n-области будут находиться положительные ионы донорных атомов; а в p- области - отрицательные ионы акцепторных атомов. Этот обедненный подвижными носителями слой протяженностью в доли микрона и является электронно-дырочным переходом (рис. 1 а).

Положительный объемный заряд в пограничном слое n-области повышает электрический потенциал этой области относительно р-области. Возникает потенциальный барьер, электрическое поле которого вызывает движение неосновных носителей (дырок из n-области и электронов из р-области), в направлении, противоположном диффузии.

Этот ток неосновных носителей под действием электрического поля называют дрейфовым током в отличие от диффузионного тока основных носителей. Электрическое поле p-n - перехода препятствует увеличению диффузионного тока и не препятствует прохождению дрейфового тока через переход.

а

- - - + + + + +

р n

- - - + + + + +

 

б

d х

 

Рис.1. Контакт полупроводников с электронной и дырочной проводимостью:

а - образование двойного слоя при контактировании; б - распределение

потенциала при контакте; + - ионы доноров; - ионы акцепторов;

- электроны; - дырки

Переходы неосновных носителей зарядов приводят к снижению потенциального барьера, но это, в свою очередь вызывает переход основных носителей в противоположном направлении. Устанавливается динамическое равновесие, при котором среднее значение тока I = I _диф + I _др = 0, а потенциальный барьер имеет вполне определенную величину, равную так называемой контактной разности потенциалов (рис. 1 б).

Перейдем к рассмотрению зависимости тока через контактирующие полупроводники от приложенного к ним внешнего напряжения. При этом будем полагать, что все напряжение приложено непосредственно к p-n - переходу, так как его сопротивление велико (область, обедненная подвижными носителями зарядов), а объемное сопротивление p- и n-областей вне p-n - перехода равно нулю.

Если к p-n - переходу присоединить источник напряжения с положительным полюсом у р-области и отрицательным - у n-области (рис.2 а), то высота потенциального барьера уменьшится и станет равной - U. Диффузионный ток основных носителей заряда резко возрастает. Такое включение p-n - перехода называется прямым. При прямом включении происходит преимущественное введение носителей зарядов в такие области полупроводникового кристалла, где они являются неосновными, поэтому данный режим работы называется инжекцией неосновных носителей.

Если изменить полярность внешнего напряжения (подключить к p-области отрицательный полюс источника, а к n-области - положительный), то при увеличении его абсолютного значения высота потенциального барьера возрастет и станет равной + U, а диффузионный ток неосновных носителей уменьшится. Уже при U 0,5 B диффузионный ток прекращается, и при дальнейшем повышении внешнего напряжения через p-n - переход будет дрейфовый ток неосновных носителей, который называется обратным, или тепловым током электронно-дырочного напряжения. Так как число неосновных носителей значительно меньше, чем основных, величина тока через переход в этом случае будет небольшой по сравнению с током при прямом включении и практически постоянной при изменении напряжения в широких

I_др I_диф

- - - - + + + +

р n

- - - - + + + +

d₁

 

+U

а d₁

d

 

I_др

- - - + + + + +

р n

- - - + + + + +

d₂

 

+U

б

d

d₂

 

Рис. 2. Включение p-n-перехода в цепь внешнего источника напряжения:

а - прямое; б - обратное

 

 

пределах. По этой причине обратный ток p-n - перехода называется еще током насыщения. Рассмотренное включение p-n - перехода называется обратным (рис. 2 б).

При прямом включении p-n-перехода в цепь источника напряжения потенциальный барьер на переходе уменьшается, следовательно, должен уменьшиться заряд, которым этот барьер создан. Поскольку заряд в переходе обусловлен неподвижными ионами примеси, область, в которой распределен заряд, сужается. (d ₁ на рис. 2 а).

При обратной полярности источника напряжения область объемного заряда расширяется (d ₂ на рис. 2 б).

Расширение области p-n-перехода происходит преимущественно в сторону полупроводника, в которой концентрация примесей меньше. Поскольку изменение напряжения на p-n - переходе связано с изменением заряда, p-n - переход обладает емкостью.

Различают два вида p-n - перехода:

1. Барьерную емкость, обусловленную объемным зарядом в p-n - переходе:

2. Диффузионную емкость, обусловленную изменением заряда вне p-n-перехода при изменении напряжении на переходе.

При прямом напряжении на переходе концентрация дырок в пограничной n-области Р_n увеличивается за счет их диффузии из р-областей по закону:

_, (1)

где P _nо - равновесная концентрация дырок в n-области при отсутствии внешнего напряжения; q - заряд электронов; k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура.

Диффундируя в глубь n-области, дырки рекомбинируют с электронами, и концентрация их уменьшается, приближаясь к значению P _no.

Аналогичная картина получается для электронов на границе р-области:

. (2)

Избыточные дырки в n-области создают положительный заряд, а так как полупроводник вне p-n - перехода должен оставаться нейтральным, для компенсации этого заряда с отрицательного полюса источника напряжения приходит такое же количество электронов. В р-области появляется избыточный отрицательный заряд за счет продиффундировавших из n-области электронов. Для компенсации этого заряда такое же количество электронов уходит к положительному полюсу источника, что равносильно приходу дырок.

При обратном напряжении на переходе концентрация неосновных носителей у границ перехода практически равна нулю. Действительно, при комнатной температуре (20^о С) kT/q = 0,025 В. Тогда при U = 0,1 В имеем

. (3)

Аналогичное выражение получаем и для n_p.

Согласно выражению (3) концентрацию неосновных носителей на границах p-n - перехода можно принять равной нулю уже при U = 0,1 В. При дальнейшем увеличении U (по абсолютному значению) распределение концентрации носителей вне p-n - перехода не изменяется, следовательно, вне p-n - перехода при изменении напряжения заряд не изменится, поэтому диффузионная емкость при обратном напряжении мала. Основное значение здесь приобретает барьерная емкость С_б, величина которой зависит от приложенного напряжения.

Количественный анализ процессов в p-n - переходе позволяет получить теоретическую вольт-амперную характеристику p-n - перехода. Вольт-амперной характеристикой (ВАХ) называется зависимость тока через переход от приложенного к нему напряжения. Эта зависимость для рассмотренной выше идеализированной модели кристалла с p-n - переходом может быть выражена формулой:

. (4)

Прямой ток при U > 0 практически нарастает по экспоненте с увеличением напряжения.

Обратный ток через p-n - переход при U < 0

, (5)

так как уже при U > 0,1 В экспонентой в (5) можно пренебречь. При дальнейшем увеличении обратного напряжения обратный ток не изменяется и имеет характер тока насыщения I _0. Ток насыщения I ₀ обусловлен дрейфом неосновных носителей через p-n - переход.

Таким образом, p-n - переход обладает несимметричной ВАХ (рис. 3).

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

I0

U

I

При прямом включении через него проходит большой прямой ток, при обратном включении - незначительный обратный ток, т.е. p-n - переход обладает вентильным свойством - способностью проводить ток преимущественно в одном направлении. Прямую и обратную ветви ВАХ (рис. 3) изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n - перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого. Однако вентильный эффект существенно ослабляется при повышении температуры среды, окружающей полупроводниковый кристалл, так как сильно возрастает обратный ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводника.

Рассмотренный выше переход, в котором концентрация электронов в n-области и дырок в р-области равны, называется симметричным.

 

2. Полупроводниковые диоды

 

Полупроводниковым диодом называется электронный прибор с одним p-n - переходом. Наиболее распространены плоскостные диоды, которые состоят из плоскостного электронно-дырочного перехода, двух нейтральных слоев и омических (невыпрямляющих) контактов (рис. 4 а).Условное обозначение диода приведено на рис. 4 б.

Основными элементами полупроводникового диода является электронно-дырочный переход, поэтому ВАХ реального диода близка к ВАХ идеального p-n-перехода, приведенной на рис. 3. Однако механизм работы реального диода и его характеристики несколько отличаются от идеального p-n-перехода. Основные отличия состоят в следующем.

Во-первых, в реальных диодах, как правило, используются несимметричные p-n-переходы, для которых выполняются условия: p_p >> n_n или n_n >> p_p . Изменение соотношений концентрации основных носителей зарядов в р- и n-областях, конечно, не меняет сущности процессов в переходе, но их характер становится иным.

Резкое различие в концентрации основных носителей зарядов приводит к тому, что одна из областей полупроводникового кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), становится низкоомной (имеет небольшое сопротивление), а другая - высокоомной (большое сопротивление). Низкоомная область и ток через диод при прямом включении p-n-перехода будет практически целиком определяться потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомная область полупроводникового кристалла называется эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении p-n-перехода на границе полупроводниковых областей с различным типом проводимости. В связи с большой концентрацией носителей в низкоомной области при образовании перехода в ней в единице объема «обнажится» большее количество ионов, чем в высокоомной области. Так как несимметричный p-n-переход в состоянии равновесия остается электрически нейтральным, ширина обедненного подвижными носителями слоя в высокоомной области увеличится. Если различие в концентрации основных носителей зарядов велико, то p-n-переход будет расположен почти целиком в высокоомной области, которая получила название базы.

Во-вторых, сопротивление объема полупроводникового кристалла не равна нулю, и при больших токах им нельзя пренебречь. Так как в реальных диодах используются несимметричные p-n-переходы, в которых сопротивление эмиттера r_э значительно меньше сопротивления базы r _б, учитывают только сопротивление базы, которое оказывает влияние на прямую ветвь ВАХ диода; она идет более полого по сравнению с прямой ветвью p-n-перехода (рис. 4 в).

В-третьих, в реальном диоде p-n-переход имеет конечные размеры, вследствие чего необходимо учитывать процессы, происходящие на поверхности электронно-дырочного перехода.

Наиболее важным является ток утечки, который способствует возрастанию обратного тока при увеличении отрицательного напряжения p-n-перехода.

Наконец, в реальных диодах при достижении обратным напряжением некоторой критической величины U _проб происходит резкое уменьшение сопротивление p-n-перехода. Это явление называют пробоем p-n-перехода, а соответствующее напряжение - напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробой.

Если при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника, то в переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда - электронов и дырок, что приводит к резкому увеличению обратного тока через переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя называют лавинным пробоем. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, получающихся при небольшой концентрации примесей.

Другой вид электрического пробоя - туннельный пробой - возникает при большой напряженности электрического поля в тонком p-n-переходе (вносятся примеси большой концентрации) в результате переходов электронов из валентной зоны n-слоя в зону проводимости р-слоя без изменения полной энергии электронов.

Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются при отключении источника внешнего напряжения.

Благодаря этому оба вида электрического пробоя используются в качестве рабочих режимов в полупроводниковых диодах (стабилитронах).

Если температура возрастает при нагреве обратным током и недостаточном теплоотводе, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему нагреву p-n-перехода и увеличению обратного тока, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называется тепловым пробоем. Для теплового пробоя

р n

а

 

p-n-переход

 

 

 

б

 

I

 

p-n-переход

 

диод

 

 

p-n-переход

 

U_проб. U

диод

 

область электрического тепловой

пробоя пробой

 

в

 

Рис. 4. Полупроводниковый диод:

а - схематическое устройство; б - условное обозначение; в - вольт-амперная характеристика

 

характерен участок отрицательного дифференциального сопротивления на обратной ветви ВАХ диода (рис. 4 в).

Тепловой пробой необратим, поэтому такой режим не допускается при эксплуатации полупроводниковых приборов.

ВАХ p-n-перехода, как было установлено выше, представляется нелинейной функцией тока от напряжения.

Нелинейность ВАХ определяется дифференциальным сопротивлением, которое представляет собой сопротивление в данной точке характеристики для синусоидального переменного тока с малой амплитудой и равно на основании (4):

, (6)

где называют температурным потенциалом.

При небольших токах, когда можно пренебречь падением напряжения на объемном сопротивлении полупроводника вне p-n-перехода, формула (6) верна и для реального диода.

При условии, что на прямой ветви I >> I ₀, т.е. I = I ₀ e , получим

. (7)

Для комнатной температуры, следовательно, получим

. (7а)

Таким образом, как следует из (7а), R сильно зависит от тока I через p-n-переход, причем в обратном направлении оно значительно больше, чем в прямом (исключая область пробоя p-n-перехода).

В зависимости от используемого свойства p-n-перехода различают выпрямительные диоды, стабилитроны, варикапы, туннельные диоды и др. Основными для выпрямительных (силовых) диодов являются статические параметры, характеризующие их вентильные свойства: сопротивления в прямом и обратном направлениях, а также допустимое обратное напряжение.

Плоскостные германиевые и кремниевые выпрямительные диоды служат для выпрямления переменного тока низкой и средней частот (обычно до 50 кГц).

Кремниевые диоды могут работать при больших температурах и иметь больший предельно допустимый прямой ток, чем германиевые. Кремниевые диоды выдерживают и большие обратные напряжения. Эти различия обусловлены тем, что ширина запрещенной зоны на энергетической (зонной) диаграмме у кремния больше, чем у германия. По этой причине вероятность теплового пробоя в кремнии мала, поэтому кремниевые диоды устойчиво работают в предпробойной области.

Разновидностью выпрямительных диодов являются высокочастотные диоды: импульсные и детекторные. Характерной особенностью конструкций этих маломощных диодов является малая площадь выпрямляющего контакта. Поэтому здесь широко применяются различные типы точечных диодов (p-n-переход в таких диодах создается за счет контакта металлической иглы с поверхностью полупроводникового кристалла) или плоскостные диоды с p-n-переходами очень малой площади.

Стабилитроны - диоды, предназначенные для стабилизации напряжения. Действие стабилитрона основано на том, что напряжение на нем в области электрического пробоя слабо зависит от тока (см. рис. 4 в).

Варикапы - это полупроводниковые диоды, которые используются в качестве электрически управляемой емкости. Величина емкости варикапа определяется в основном емкостью p-n-перехода при обратном включении p-n-перехода в цепь источника напряжения. С увеличением обратного напряжения область объемного заряда ионов примесей (ширина p-n-перехода) увеличивается, следовательно, барьерная емкость Сб плоскостного перехода уменьшается (согласно формуле плоского конденсатора ).

График функции (рис. 5) f (U) - зависимость емкости варикапа от величины U_обр - называется вольт-фарадной характеристикой.

C б       0 U   Рис. 5. Зависимость барьерной емкости p-n - перехода от напряжения

Варикапы применяются в схемах перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических усилителях и генераторах и других устройствах, где необходимо дистанционное и практически безынерционное изменение электрической емкости.

 

3. Описание лабораторного стенда

 

Принципиальная электрическая схема приведена на рис. 6 и на лицевой панели стенда. На рис. 6 не указана схема переключения пределов измерения миллиамперметра, а на лицевой панели не изображена емкость С ₀.

 

Г₁ R₀ Г₆ ИП-1

+ mA

С₀

Г₂