Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной базы ЭВМ и компьютеров

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 3. Физика полупроводников и полупроводниковых приборов 151

Оба включения можно отобразить графически (рис. 85). Это приня-

то называть вольт-амперной характеристикой (ВАХ), она представляет

собой зависимость тока от напряжения I = f(U). Примем напряжение

прямого включения за положительное, а обратного – за отрицательное.

Зависимость тока от напряжения при прямом включении можно опи-

сать следующим выражением:

exp 1

⎡

⎤

⎛⎞

=−

⎜⎟

⎢

⎥

⎝⎠

⎣

⎦

где i

– ток насыщения (при обратном включении p–n-перехода этот ток

равен обратному току).

При прямом напряжении (U > 0)

уменьшение потенциального барьера

приводит к преобладанию потока

электронов из эмиттера в базу над

потоком электронов из базы в эмит-

тер. При этом электроны инжекти-

руются в базу и концентрация элек-

тронов на границе x

возрастает до

величины, которая уже при U =

= 0,26 В (kT/q = 0,026 В) значительно

превышает равновесную концентрацию в базе (exp(10) = 22026,47).

Таким образом, инжекция электронов в базу приводит к появлению

неравновесных носителей в базе. Вследствие возникшего градиента

концентрации электронов в базе начинается процесс их диффузии от

границы перехода x

в глубину p-базы. По мере их продвижения в глу-

бину р-области их неравновесная концентрация уменьшается за счет

рекомбинации с дырками.

При U = – 0,26 В (обратное напряжение) через p–n-переход проте-

кает тепловой ток i

, значение которого не зависит от величины прило-

женного обратного напряжения. ВАХ p–n-перехода представляет собой

нелинейную зависимость между током и напряжением. Между малыми

амплитудами тока и напряжения существует линейная связь. В этом

случае p–n-переход на переменном токе характеризуют дифференци-

альным сопротивлением r

dU U

dI I

=≈

При прямом напряжении сопротивление p–n-перехода мало и со-

ставляет единицы – сотни ом, а при обратном напряжении – велико и

Рис. 85. Вольт-амперная харак-

теристика p–n-перехода

152 В.П. Леонов

составляет сотни и тысячи килоом. Дифференциальное сопротивление

можно определить графически по характеристике (см. рис. 85, где ука-

заны Δu и Δi).

Увеличение температуры p–n-перехода приводит к увеличению те-

плового тока, а следовательно, к возрастанию прямого и обратного то-

ков (рис. 86).

При увеличении обратного

напряжения наблюдается явление

пробоя p–n-перехода, вследствие

генерации носителей заряда. Это

приводит к сильному увеличению

обратного тока при некоторых

значениях напряжения. Дальней-

ший рост обратного напряжения

приводит к интенсивному разо-

греву p–n-перехода и его выго-

ранию.

Величины прямого и обратно-

го тока зависят не только от на-

пряжения, но и от материала, из которого сделан p–n-переход. На

рис. 87 представлены прямые и обратные ветви ВАХ p–n-переходов из

Ge, Si и GaAs.

Рис. 87. ВАХ p–n-переходов из Ge, Si и GaAs

Ёмкости p-n-перехода

При подаче на p–n-переход переменного напряжения он проявляет

ёмкостные свойства и ведет себя как своеобразный плоский конденса-

тор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а

изолятором является область пространственного заряда, обедненная

носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость

Рис. 86. Влияние температуры

на ВАХ p–n-перехода

Глава 3. Физика полупроводников и полупроводниковых приборов 153

p–n-перехода называется барьерной – C

. Кроме барьерной ёмкости

p–n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Эта

ёмкость обусловлена инерционными процессами накопления и расса-

сывания неравновесного заряда в базе. Величина диффузионной ёмко-

сти пропорциональна току через p–n-переход. При прямом напряжении

значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пи-

кофарад. Общая ёмкость p–n-перехода определяется суммой барьерной

и диффузионной ёмкостей. При обратном напряжении C

> C

диф

; при

прямом напряжении преобладает диффузионная ёмкость C

диф

>> C

[24, 26].

Учитывая наличие сопротивления p–n-перехода и его ёмкости, эк-

вивалентная схема p–n-перехода на переменном токе может быть пред-

ставлена следующим образом (рис. 88). На этой схеме параллельно

дифференциальному сопротивлению

p–n-перехода r

включены две емко-

сти C

и C

диф

; последовательно с r

включено объемное сопротивление

базы r

. С увеличением частоты пе-

ременного напряжения, подаваемого

на p–n-переход, его ёмкостные свой-

ства проявляют себя всё сильнее. В

результате омическое сопротивление

шунтируется ёмкостным сопро-

тивлением. Поскольку оно включено

параллельно омическому сопротив-

лению, то общее сопротивление p–n-

перехода будет уменьшаться и стремиться к величине омического со-

противления базы r

. Таким образом, на высоких частотах p–n-

переход теряет свои нелинейные свойства.

3.3. Функциональные типы полупроводниковых диодов

Классификация диодов возможна по разным параметрам. К приме-

ру, по их конструкции, по мощности, по рабочей частоте, а также по их

функциональному назначению. Последняя классификация представляет

наибольший интерес.

Рис. 88. Эквивалентная схема

p–n-перехода

154 В.П. Леонов

Выпрямительные диоды

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в

постоянный, называют выпрямительными. В качестве выпрямительных

диодов используют сплавные, эпитаксиальные и диффузионные диоды,

выполненные на основе несимметричных p–n-переходов. Для повыше-

ния значения пробивного напряжения иногда используют р

–р- или

–п

–

-переходы. Наличие знака «+» означает значительное повышение

концентрации носителей в данном слое по сравнению с соседним.

Обычно им пользуются для обозначения концентраций порядка 10

–

см

–3

. Для максимальных концентраций используют двойной знак

плюс «++». Обычно такие слои с повышенной концентрацией носите-

лей используют для создания на них омического контакта путём напы-

ления на него металлического слоя. Для создания р

–р- или п

–п-

переходов методом эпитаксии на поверхности исходного полупровод-

ника наращивают тонкую высокоомную плёнку. На ней методом вплав-

ления или диффузии создают p–n-переходы, в результате чего получа-

ется структура р

–р–п- или п

–n–р-типа. Для выпрямительных диодов

характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоя-

нии и позволяют пропускать большие токи. Их барьерная ёмкость из-за

большой площади p–n-переходов велика и достигает значений десятков

пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды могут быть использо-

ваны при температурах, не превышающих 70–80 °С, кремниевые – до

120–150 °С, арсенид-галлиевые – до 150 °С. Ниже представлены услов-

ные обозначения одностороннего и двустороннего стабилитронов, а

также вольт-амперные характеристики таких диодов [9, 10].

Импульсные диоды

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных про-

цессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрями-

тельных диодов они отличаются малыми емкостями p–n-перехода

(доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные ха-

рактеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет умень-

шения площади p–n-перехода, поэтому допустимые мощности рассе-

яния у них невелики (30–40 мВт).

В быстродействующих импульсных цепях широко используют

диоды Шоттки, в которых переход выполнен на основе контакта ме-

талл – полупроводник. Немецкий физик Вальтер Шоттки известен

Глава 3. Физика полупроводников и полупроводниковых приборов 155

своими работами в области электроники и физики полупроводников. В

1915 г. В. Шоттки изобрёл электронную лампу с экранной сеткой, а в

1939 г. исследовал приконтактный слой полупроводник – металл (барь-

ер Шоттки) и построил теорию полупроводниковых диодов на таких

барьерах (диоды Шоттки). У этих диодов не тратится время на накоп-

ление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит толь-

ко от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-

амперная характеристика диодов Шоттки напоминает характеристику

диодов на основе p–n-переходов. Отличие такого диода состоит в том,

что прямая ветвь представляет почти идеальную экспоненциальную

кривую, а обратные токи очень малы. Конструктивно диоды Шоттки

выполняются в виде пластины низкоомного кремния, на которую на-

несена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью

того же типа. На поверхность этой пленки вакуумным напылением

наносят слой металла. Диоды Шоттки применяют также в выпрямите-

лях больших токов и в логарифмирующих устройствах [10].

Полупроводниковые стабилитроны

Полупроводниковые стабилитроны предназначены для стабилиза-

ции напряжений. Их работа основана на использовании явления лавин-

ного пробоя p–n-перехода при включении диода в обратном направле-

нии. Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешан-

ным. У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы)

более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной

базой пробой носит лавинный характер. При значительном изменении

тока через стабилитрон напряжение на нём меняется незначительно.

Материалы, используемые для p–n-перехода стабилитронов, имеют вы-

сокую концентрацию примесей. При этом напряженность электриче-

ского поля в p–n-переходе значительно выше, чем у обычных диодов.

При относительно небольших обратных напряжениях в p–n-переходе

возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический

пробой. В этом режиме электрический пробой не переходит в тепловой.

Стабилитроны изготавливают из кремния, обеспечивающего получение

необходимой вольт-амперной характеристики. В современных стабили-

тронах максимальный ток колеблется в пределах от нескольких десят-

ков миллиампер до нескольких ампер. Превышение максимального тока

156 В.П. Леонов

приводит к выходу стабилитрона из строя. Рабочее напряжение стаби-

литрона, являющееся напряжением пробоя p–n-перехода, зависит от

концентрации примесей в p–n-структуре и лежит в пределах 4–200 В.

Напряжение стабилитрона в рабочем режиме мало зависит от тока, что

является основой применения этих приборов. На рабочем участке ха-

рактеристики (от I

min

до I

max

) зависимость напряжения от тока характе-

ризует дифференциальное сопротивление стабилитрона R

. Оно состав-

ляет несколько десятков и даже единиц ом, причём меньшая величина

соответствует стабилитронам, имеющим рабочее напряжение 7–15 В и

большой рабочий ток. Увеличение температуры p–n-перехода приво-

дит к изменению теплового тока, а следовательно, к изменению прямо-

го и обратного токов. На рис. 89 штриховой линией показано измене-

ние ВАХ при увеличении рабочей температуры. Видно, что повышение

температуры по разному влияет на смешение ВАХ в зависимости

от напряжения стабилизации. Так, для напряжения стабилизации

стаб

> 5 В повышение температуры увеличивает напряжение стабили-

зации, а при напряжении U

стаб

< 5 В рост температуры снижает напря-

жение стабилизации. То есть для напряжений стабилизации более 5 В

температурный коэффициент стабилизации положителен, а для напря-

жений менее 5 В отрицателен. В интервале U

стаб

порядка 5–6 В этот ко-

Рис. 89. Влияние температуры на ВАХ стабилитронов

Глава 3. Физика полупроводников и полупроводниковых приборов 157

эффициент приблизительно равен

нулю. При использовании стаби-

литрона для стабилизации напря-

жения его включают параллельно

нагрузке R

(рис. 90).

Варикапы

Варикап – это полупроводни-

ковый диод, применяемый в качестве электрического конденсатора,

управляемого напряжением. В

варикапе используется зависи-

мость ёмкости перехода от об-

ратного напряжения. На рис. 91

показаны вольт-фарадные харак-

теристики варикапа.

Туннельные диоды

В 1939 г. русский физик

Г.А. Гамов предсказал туннель-

ный эффект, в соответствии с ко-

торым электроны могли с опреде-

ленной вероятностью проникать

через высокопотенциальный барьер. Диод на его основе был создан в

1958 г. японским физиком Лео Эсаки. Он сумел сформировать чрезвы-

чайно резкий переход между очень сильно легированными p

- и n

областями германия таким образом, что переход между ними имел

очень малую длину. В результате на таком p

–n

-переходе возникали

очень большие напряжённости поля. На прямом участке вольт-

амперной характеристики такого перехода (рис. 92) наблюдается n-

образная зависимость тока от напряжения (отрицательное дифференци-

альное сопротивление). Если концентрация доноров и акцепторов в

эмиттере и базе диода будет N

, N

~ 10

см

–3

, то концентрация основ-

ных носителей будет много больше эффективной плотности состояний

в разрешенных зонах. В этом случае уровень Ферми будет находиться в

разрешенных зонах p

- и n

-полупроводников. Такие полупроводники

называются вырожденными. Тогда ширина p

–n

-перехода мала: W ≈

100 Å, тогда как длина волны электрона примерно равна 140 Å. Таким

Рис. 90. Включение нагрузки

в цепь стабилитрона

Рис. 91. Вольт-фарадные

характеристики варикапа

158 В.П. Леонов

образом, геометрическая ширина p

–n

-перехода оказывается сравни-

мой с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырож-

денном p

–n

-переходе можно ожидать проявления квантово-

механических эффектов, одним из которых является туннелирование

через потенциальный барьер. Поэтому на таком тонком переходе даже

при малом напряжении порядка 0,6–0,7 В напряжённость поля достига-

ет значения порядка 5⋅10

В/см. При узком барьере вероятность тун-

нельного просачивания через барьер отлична от нуля. Из-за малой тол-

щины перехода времена процессов при туннелировании составляют

наносекунды, то есть τ

min

~ 10

–9

c. По-

этому туннельный диод практически

безынерционный и имеет высокие

значения максимальной граничной

частоты f

max

~ 10

Гц. По этой причине

туннельные диоды используются в

СВЧ-технике в качестве генератора

высокочастотных колебаний. Из-за

того многообразия функций, которые

может выполнять туннельный диод

(генерирование и усиление электро-

магнитных колебаний, переключение,

преобразование частоты и т.д.), его

создание по технической значимости стоит на одном уровне с создани-

ем транзистора [19, 23].

Диод Ганна

Кроме диодов, конструктивно выполненных на основе p–n-пере-

хода, есть и такие приборы, которые хотя и называются диодами, но не

имеют такого перехода. Название ДИОД сохранилось для таких прибо-

ров в силу того, что прибор имеет также два электрода. К таким диодам

относится диод Ганна, работающий на основе эффекта Ганна. Конст-

руктивно такой диод представляет собой многослойный элемент из

GaAs или иного полупроводникового материала, в котором наблюдает-

ся эффект Ганна. В зависимости от параметров диода (степени и про-

филя легирования активной области, длины и площади сечения образца

и его температуры), а также напряжения питания и нагрузки диод Ганна

может работать в различных режимах: доменных, ограничения накоп-

ления объемного заряда, гибридном, бегущих волн объемного заряда,

Рис. 92. ВАХ туннельного диода

Глава 3. Физика полупроводников и полупроводниковых приборов 159

отрицательной проводимости. Активной частью этого элемента являет-

ся тонкий эпитаксиальный слой n-типа, с обеих сторон которого имеют-

ся низкоомные металлизированные контакты. Активная часть крепится

в цилиндрический корпус, изготовленный из керамики и содержащий

два контактных вывода. Диод помещается в резонаторную камеру, в

которой и происходит генерация СВЧ-колебаний. Основное примене-

ние диоды Ганна находят в качестве генераторов СВЧ-диапазона, от

единиц до нескольких сотен гигагерц. Предельные частоты диодов Ган-

на, связанные с этим явлением, оцениваются значениями ~ 100 ГГц для

приборов из GaAs и 150–300 ГГц для приборов из InP. Отличительной

особенностью диодов Ганна является их высокий КПД, достигающий у

GaAs 20 %, а у InP теоретический КПД равен 40 %. С помощью таких

диодов работают радиолокаторы с так называемой фазированной ан-

тенной решёткой, широко применяемые в военной технике. Они ис-

пользуются и в радиоастрономии, зондировании поверхности Земли с

космических спутников с целью геомониторинга, а также для передачи

радио- и телесигнала по спутниковым системам связи и системам

ретрансляции. В частности, в системе спутникового телевидения и Ин-

тернета, когда вместо кабелей используется «тарелка» – антенна, ори-

ентированная на спутник, которая содержит приёмно-передающее уст-

ройство на основе диодов Ганна. Ганновские диоды выпускаются НИИ

полупроводниковых приборов, который был открыт в Томске в январе

1964 г. Первым директором этого НИИ был профессор физического

факультета ТГУ Виктор Алексеевич Преснов.

Очень широко используются диоды Ганна в приборах контроля

скорости движения различных объектов, например автомобилей. Когда

вы видите инспектора ГАИ, держащего в руке прибор такого контроля,

то знайте, что в этом приборе также есть диод Ганна. Принцип работы

такого прибора достаточно прост. Прибор излучает пачку импульсов,

которые отражаются от движущегося автомобиля. В зависимости от

скорости движения автомобиля отражённые от него сигналы меняют

свои характеристики. Анализ отражённого сигнала позволяет довольно

точно определять скорость движения. Во многих европейских странах

широкое распространение получили системы автоматического контроля

скорости движения автомобиля. Эти устройства в виде небольших

столбиков расставлены вдоль дорог. Когда автомобиль превышает пре-

дельно допустимую на данном участке скорость, срабатывает фотока-

мера, которая фиксирует номер автомобиля и скорость его движения.

После этого владельцу автомобиля отправляется квитанция для оплаты

160 В.П. Леонов

штрафа. Помимо действующего локатора устанавливаются и ложные

локаторы, что стимулирует водителя к соблюдению ограничения скоро-

сти на всём отрезке дороги.

Лавинно-пролётные диоды

В 1959 г. советский ученый А.С. Тагер открыл эффект генерации и

усиления СВЧ-колебаний при лавинном пробое полупроводниковых

диодов. На основе этого эффекта был разработан лавинно-пролетный

диод (ЛПД), с отрицательным сопротивлением в СВЧ-диапазоне. В

НИИ «Пульсар» были разработаны несколько десятков типов ЛПД на

арсениде галлия, которые работали в диапазоне от 8 до 37 ГГц. ЛПД

применяются для генерации и усиления в СВЧ-диапазоне на частотах

от 10 до 100 ГГц с КПД до 50 %. ЛПД широко применяют в устройст-

вах дальней связи, радиоастрономии, в системах спутниковой связи.

Светодиоды

Светодиодом называют полупроводниковый прибор, в котором

происходит непосредственное преобразование электрической энергии в

энергию излучения. Это преобразование основано на рекомбинации

основных носителей заряда при их переходе в случае прямого включе-

ния диода. Причем рекомбинация сопровождается выделением световой

энергии. Для некоторых типов полупроводниковых соединений на ос-

нове арсенида галлия ширина запрещённой зоны ΔW достаточно велика

и длина волны светового излучения лежит в видимой части спектра.

Фотодиоды

Фотодиодом называется приёмник излучения, светочувствительным

элементом которого является p–n-переход. Облучение полупроводника

световым потоком Ф вызывает генерацию собственных носителей заря-

дов. Результатом этого является увеличение количества как основных,

так и неосновных носителей зарядов. Этот эффект в большей степени

проявляется в изменении величины обратного тока. Именно обратная

ветвь ВАХ и является рабочей ветвью для фотодиода.

Условные обозначения полупроводниковых диодов

Система условных обозначений отечественных полупроводниковых

приборов закреплена в государственных и отраслевых стандартах. Ус-