Контакт полупроводников р- и n -типов называют р-n переходом,
рис. 1.1.
 |
При контакте полупроводников с разными типами проводимости из
приконтактной области начинается диффузионное движение электронов из
полупроводника n -типа в полупроводник р-типа, а дырок - из полупроводника р-типа в полупроводник n -типа. При встрече электронов с дырками они активно рекомбинируют, в результате чего в приконтактной области создается нескомпенсированный объемный заряд положительных ионов доноров в полупроводнике n -типа и отрицательных ионов акцепторов в полупроводнике р-типа, как показано на рис. 1.1. За счет этих объемных нескомпенсированных зарядов создаются электрическое поле и потенциальный барьер Uк, который называется контактной разностью потенциалов. Контактная разность потенциалов препятствует дальнейшему диффузионному движению основных носителей через контакт, но способствует дрейфовому движению неосновных носителей. В условиях равновесия ток неосновных носителей I др будет равен и противоположен току основных носителей Iдиф, и общий ток во внешней цепи будет равен нулю
I=Iдиф+Iдр= 0.
Поскольку приконтактный слой в результате рекомбинации обедненподвижными носителями зарядов, он имеет гораздо больше сопротивление по сравнению с сопротивлением остального объема р- и п- областей и называется запирающим.
Подавляющее большинство полупроводниковых диодов содержит один р-п переход. Выводы диода называются анодом и катодом, как показано на рис. 1.16. При контакте полупроводников p - и n -типа с одинаковым содержанием примеси р-п переход называется симметричным. В большинстве полупроводниковых приборов используются несимметричные р-п переходы, т.е. контакты полупроводников с разным содержанием примеси. В таких контактах запирающий слой неравномерно распространяется в р- и п- области. Запирающий слой располагается в основном в области с малым содержанием примеси, например, как показано на рис. 1.1 в.
1.4. Прямое смещение р-п перехода
Внешнее напряжение нарушает равновесие между диффузионным и дрейфовыми токами. Если внешнее напряжение имеет такую полярность, что повышает потенциал р- области (анода) по отношению к п- области (катоду), то включение р-п перехода называется прямым (рис. 1.2а). В этом случае внешнее напряжение оказывается подключенным к запирающему слою встречно с контактной разностью потенциалов. Потенциальный барьер уменьшается до величины UK — Uпр, и запирающий слой уменьшается. В результате диффузионный ток увеличивается, а дрейфовый уменьшается. Во внешней цепи течет прямой ток Iпр, который создается движением основных
носителей (рис. 1.2а).
1.5. Обратное смещение р-п перехода
При подаче внешнего напряжения, понижающего потенциал p- области (анода) по отношению к п- области (катоду), включение р-п перехода называется обратным (рис. 1.26). Полярность внешнего напряжения в этом случае совпадает с полярностью контактной разности потенциалов Uк.
Потенциальный барьер возрастает до величины Uк + Uo6р, запирающий слой увеличивается, в результате чего диффузионный ток основных носителей существенно уменьшается, а дрейфовый ток неосновных носителей быстро достигает насыщения. Во внешней цепи течет незначительный обратный ток Iобр , величина которого определяется концентрацией неосновных носителей (рис. 1.2, б).
1.6. Вольтамперная характеристика p - n перехода
Вольтамперная характеристика (ВАХ) р-п перехода нелинейна (рис. 1.3). Это значит, что сопротивление перехода непостоянно. При прямом включении сопротивление р-п перехода мало (десятки, единицы Ом), при обратном - в десятки тысяч раз больше и составляет сотни кОм.
Прямой ток становится заметным, когда прямое напряжение Uпр приближается к контактной разности потенциалов UK. Поскольку UK в кремниевых переходах составляет UKSi ≈ 0,5 - 0,6 В, то прямая ветвь ВАХ кремниевого р-п перехода сдвинута вправо (рис. 1.3). Принято считать пороговое напряжение отпирания кремниевого р-п перехода равным 0,6 - 0,7 В.
На начальном участке прямой ветви Uпр < UK, и сопротивление диода Rд = Rр + R3C + Rn определяется сопротивлением запирающего слоя R3С, которое гораздо больше сопротивлений p- и n -областей (R3 с » Rp, Rn).
С ростом прямого напряжения Uпр ширина запирающего слоя умень-шается и исчезает совсем, сопротивление диода уменьшается и при Uпр ≈ Uк становится постоянным и определяется значениями Rр и Rn, которые зависят от концентрации примеси в областях р и п.
Прямой ток создаётся движением основных носителей, обратный — неосновных. Поскольку основных носителей в полупроводнике в десятки тысяч раз больше, чем неосновных, то прямой ток гораздо больше обратного. Отсюда следует, что основное свойство диода - односторонняя проводимость.
Из вольтамперной характеристики р-п перехода видно, что прямое падение напряжения на линейном участке ВАХ при прямом включении мало зависит от тока и составляет не более 1 В.
Диоды Шоттки
В качестве выпрямительных диодов используют также диоды Шоттки, которые представляют собой контакт металл-полупроводник (рис. 1.4).
Для изготовления диода Шоттки нужно брать такие составляющие, чтобы работа выхода электронов из металла была больше, чем в полупроводнике. В этом случае электроны переходят из n-полупроводника в металл. Приконтактный слой металла заряжается отрицательно, а приконтактный слой п- полупроводника — положительно (ионы доноров), т.е. в месте контакта возникает поле, препятствующее дальнейшему переходу электронов из полупроводника в металл. Контактная разность потенциалов UK составляет 0,1-0,2 В, т.е. такой контакт обладает выпрямительными свойствами, но отличается от кремниевого р-п перехода меньшим падением напряжения (Uпр, в диодах Шоттки составляет 0,2-0,3 В) и более высоким быстродействием, т.к. ток образуется движением только электронов, а подвижность электронов выше, чем подвижность дырок. Вместе с тем диоды Шоттки отличаются не большими значениями максимально допустимого обратного напряжения Uобр.max, обычно не более 100 В. Диоды Шоттки широко применяются в различных полупроводниковых устройствах и в составе интегральных микросхем.