Расчет измерительных преобразователей. Полупроводниковый диод

Рисунок 34 - Вероятностное представление границ перехода ДЕ.

а- нормальное соотношение между шириной перехода и нестабильностью его границ; б- потенциалы границ при нормальном соотношении; в- взаимное перекрытие границ перехода.

Дополнительные переходы также должны выполняться с резкой границей, что позволит им также переходить в режим паразитной проводимости.

В отличии от существующей теории мы рассматриваем векторы напряженностей, а не разностей потенциалов. Это оказывается решающим фактором для независимого анализа группы параллельных диодов, поскольку появляются участки с противоположным направлением напряженности. На рис. 35 схематично изображен ДЕ, в котором дополнительные переходы объединены в один. Теперь анализ работы ДЕ распадается на несколько частей: состояние основного и дополнительного переходов, а также включения или выключения паразитных режимов. Число сочетаний режимов 4-х диодов становится большим, поэтому анализ работы диода проводим раздельно.

Рисунок 35 - Схематическое представление ДЕ.

Введем признаки принадлежности параметров тому или иному диоду: параметры паразитных диодов будем отмечать точкой вверху, что позволит нам сохранить обозначения без индексов для нормального диода основного перехода.

В исходном состоянии замыкание внешних выводов ДЕ приводит к глубокому запиранию обоих переходов (рис.4), что означает включение паразитных диодов. Приложив внешнее прямое напряжение, мы еще сильнее открываем диод , но запираем диод , приближая основной переход к открыванию. Именно в этот момент происходят самые любопытные процессы. Поэтому целесообразно дальнейшее рассмотрение сосредоточить на этой фазе переключения основного перехода.

На рисунке 36 показаны ВАХ диодов основного перехода.

Рис. 36. Вольтамперные характеристики нормального (1) и паразитного (2) диодов основного перехода.

В момент достижения напряжения пятки Ud= UП паразитный диод закрывается. Одновременно открывается нормальный диод и на участке кривой 2, помеченном пунктирной линией, их токи будут вычитаться, что и приводит к появлению горба результирующей ВАХ (рис.37). Рост тока нормального диода приводит к еще одному нюансу, а именно - к появлению положительной обратной связи. Она создается за счет падения напряжения на ширине перехода протекающим током и, суммируясь с исходной разностью потенциалов ?ц , заметно повышает крутизну ветви 1. поэтому результирующая ВАХ (рис. 4) представляет собой не просто разность токов двух диодов (участок АБ), а еще и некоторое усиление ее.

Рисунок 37 - Результирующая ВАХ диода Есаки.

Нагрузочная линия задает наклон переключения рабочей точки диода. В прямом направлении переключение показано стрелкой из точки А, в обратном - выбор происходит автоматически в момент равенства динамического сопротивления диодов.

Ток паразитного диода выражается аналогично обычному диоду и для прямого смещения запишем

(1),

где a- коэффициент, характеризующий долю поперечного сечения канала, перешедшую к паразитному диоду;

b- коэффициент, характеризующий разность потенциалов на переходе паразитного диода относительно - основного .

Динамическое сопротивление паразитного диода определяем дифференцированием

(2).

Модификации диода Есаки.

Степень легирования крайних зон ДЕ определяет, насколько открыты паразитные диоды при нуле входного напряжения. Для изменения величины

свобода есть только в перепаде потенциалов дополнительных переходов . Как изменится результирующая ВАХ диода? С уменьшением кривая 2 на рис. 3 сдвигается вниз и влево, уменьшая пиковое значение тока. Горб на результирующей ВАХ уменьшается и может исчезнуть (рис. 38). Этот вариант ДЕ получил название обращенный диод, поскольку для малых напряжений прямая ветвь ВАХ может использоваться в качестве обратной.

Рисунок 38 - Вольтамперная характеристика обращенного диода.

Если наряду со снижением разности потенциалов дополнительного перехода выполнить его несколько более широким, паразитный диод перестанет открываться и станет похожим на обычный, но только до некоторого значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя. Обратная ветвь такого диода сдвигается влево, как показано на рисунке 39.

Рисунок 39 - Вольтамперная характеристика стабилитрона.

Этот вид пробоя назван зенеровским (по другой транскрипции ценеровским) по имени немецкого физика Zener, впервые обнаружившего это явление.

Еще один очень интересный эффект использует принцип ДЕ - лавинный диод. В зенеровском пробое открывается нормальный диод дополнительного перехода, имеющего меньшую крутизну потенциалов (рис. ), чем основной переход. Если из диода Есаки исключить (или сильно уменьшить) дополнительное легирование краев канала и расширить зону перехода (теперь речь только об основном переходе), то образование паразитного диода может происходить при очень больших напряжениях. В этом случае, как и в случае «туннельного диода» также появляется положительная обратная связь за счет малого (но уже заметного) обратного тока. Крутизна образовавшегося паразитного диода повышается и его ВАХ стремится занять положение, соответствующее меньшему напряжению в сравнении с напряжением пробоя (рис.40).

Рисунок 40

В результате, получилось физическое описание процессов, не прибегая к уловкам и не вводя туннельных и прочих эффектов. А названные типы полупроводниковых приборов относятся к одному классу - диодов Есаки.

10. Эффекты полупроводника

Тоннельный эффект.

Тоннельный эффект (открыт в 1958 году в Японии) проявляется на p-n переходе в вырожденных полупроводниках.

Вырожденный полупроводник - это полупроводник с очень высокой концентрацией донорной или акцепторной примеси. (Концентрация - 1024 атомов примеси на 1 куб. см. полупроводника).

В вырожденных полупроводниках очень тонкий p-n переход: его ширина составляет сотые доли микрона, а напряжённость внутреннего поля p-n перехода составляет Ep-n ? 108 B/м, что обеспечивает очень высокий потенциальный барьер. Основные носители заряда не могут преодолеть этот потенциальный барьер, но за счёт малой его ширины как бы механически пробивают в нём тоннели, через которые проходят другие носители зарядов. Следовательно, свойство односторонней проводимости на p-n переходе при тоннельном эффекте отсутствует, а ток через p-n переход будет иметь три составляющие:

I = Iт.пр. - Iт.обр. + Iпр.,

где Iт.пр. - прямой тоннельный ток, за счёт прохождения зарядов через тоннели при прямом включении;

Iт.обр. - обратный тоннельный ток, тот же самый, что и прямой, но при обратном включении;

Iпр. - прямой ток проводимости. Вызван носителями заряда, преодолевающими потенциальный барьер при относительно высоком прямом напряжении.

Вольтамперная характеристика p-n перехода при тоннельном эффекте будет иметь вид, изображённый на рисунке 41.

Рисунок 41

На участке АВ прямой тоннельный ток уменьшается за счёт снижения потенциального барьера и в точке В он становится равным нулю, а ток проводимости незначительно возрастает. За счёт этого общий ток на участке АВ уменьшается. Особенностью тоннельного эффекта является то, что на участке АВ характеристики имеет место отрицательное динамическое сопротивление.

Тоннельный эффект применяется в тоннельных диодах, которые используются в схемах генераторов гармонических колебаний и как маломощные бесконтактные переключающие устройства.

Эффект Гана

Эффект Гана проявляется в полупроводниках n-типа проводимости в сильных электрических полях.

Рисунок 42

Участок ОА - линейный участок, на котором соблюдается закон Ома. Участок АВ - при сравнительно больших напряжённостях электрического поля уменьшается подвижность электронов (показывает, как легко электроны проходят сквозь кристаллическую решётку проводника) за счёт увеличения амплитуд колебания атомов в узлах кристаллической решётки. И за счёт этого рост тока замедляется. Участок ВС - сильное уменьшение подвижности электронов, что приводит к уменьшению тока. Участок CD - при очень больших напряжённостях значительно увеличивается генерация носителей зарядов и, хотя подвижность электронов уменьшается, ток возрастает за счёт увеличения количества зарядов.

Сущность эффекта Гана состоит в том, что если в полупроводнике создать напряжённость электрического поля, большую Екр, но меньшую Епор, т. е. на участке ВС характеристики, то в полупроводнике возникнут электрические колебания сверхвысокой частоты (СВЧ).

Эффект Гана применяется в диодах Гана, которые используются как маломощные генераторы СВЧ.

Эффект Холла

Эффект Холла проявляется в полупроводниках n-типа проводимости с протекающими через них токами и помещёнными в магнитное поле.

Рисунок 43

На движущиеся электроны в полупроводнике будет действовать сила Лоренца F, под действием которой электроны будут отклоняться к дальнему краю пластинки (рис. 43), следовательно, там будет сгущение электронов, а около переднего края - недостаток их. Поэтому между этими краями возникнет ЭДС, которая называется ЭДС Холла. Эффект Холла применяется в магнитометрических датчиках.

11. Переход Шоттки

Образование перехода Шоттки.

Переход Шоттки возникает на границе раздела металла и полупроводника n-типа, причём металл должен иметь работу выхода электрона большую, чем полупроводник.

Рисунок 44

При контакте двух материалов с разной работой выхода электронов электрон проходит из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, и ни при каких условиях - наоборот. Электроны из приграничного слоя полупроводника переходят в металл, а на их месте остаются некомпенсированные положительные заряды ионов донорной примеси.

В металле большое количество свободных электронов, и, следовательно, на границе металл-полупроводник возникает электрическое поле и потенциальный барьер. Возникшее поле будет тормозящим для электронов полупроводника и будет отбрасывать их от границы раздела. Граница раздела металла и полупроводника со слоем положительных зарядов ионов донорной примеси называется переходом Шоттки (открыт в 1934 году).

Прямое и обратное включение диодов Шоттки. Достоинства и недостатки.

- Если приложить внешнее напряжение плюсом на металл, а минусом на полупроводник, возникает внешнее электрическое поле, направленное навстречу полю перехода Шоттки. Это внешнее поле компенсирует поле перехода Шоттки и будет являться ускоряющим для электронов полупроводника. Электроны будут переходить из полупроводника в металл, образуя сравнительно большой прямой ток. Такое включение называется прямым.

- При подаче минуса на металл, а плюса на полупроводник возникает внешнее электрическое поле, сонаправленное с полем перехода Шоттки. Оба этих поля будут тормозящими для электронов полупроводника, и будут отбрасывать их от границы раздела. Оба этих поля будут ускоряющими для электронов металла, но они через границу раздела не пройдут, так как у металла больше работа выхода электрона. Такое включение перехода Шоттки называется обратным.

Обратный ток через переход Шоттки будет полностью отсутствовать, так как в металле не существует неосновных носителей зарядов.

12. Изготовление

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n- типа (рис.3.1), толщиной 0,1…0,6мм и площадью 0,5…1,5 мм2; с пластинкой соприкасается заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный р-n- переход полусферической формы.

Для изготовления германиевых точечных диодов к пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия р-типа является эмиттерной.

Для изготовления кремниевых точечных диодов используется кремний n- типа и проволочка, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

В плоскостных диодах р-n- переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

Плоскостные диоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии.

В пластинку германия n- типа вплавляют при температуре около 500оС каплю индия которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р- типа. Область с электропроводностью р- типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят германий р- типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n- типа.

Диффузионный метод изготовления р-n- перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник. Для создания р- слоя используют диффузию акцепторного элемента (бора или алюминия для кремния, индия для германия) через поверхность исходного материала.

13. Достоинства и недостатки

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами - малые размеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапазоне температур от -70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Достоинства перехода Шоттки:

- отсутствие обратного тока;

- переход Шоттки может работать на СВЧ;

- высокое быстродействие при переключении из прямого состояния в обратное и наоборот.

Недостаток диода Шоттки - стоимость. В качестве металла обычно применяют золото.

14. Перспективы развития

Ударно-ионизационный волновой пробой и генерация пикосекундных сверхширокополосных и сверхвысокочастотных импульсов в дрейфовых диодах на основе GaAs с резким восстановлением:

Впервые экспериментально подтверждено, что работа дрейфовых GaAs-диодов с резким восстановлением, изготовленных из p+-p0-n0-n+-структур, сопровождается возбуждением сверхвысокочастотных осцилляций в виде цугов коротких импульсов длительностью ~ 10 пс. Амплитуда импульсов и частота их повторения достигают значений ~ 100 В и ~ (10-100) ГГц соответственно. Факт существования явлений задержанного обратимого волнового пробоя и возбуждения сверхвысокочастотных осцилляций в структурах GaAs-диодов с резким восстановлением открывает перспективы развития новых направлений как в физике и технике полупроводниковых приборов на основе GaAs-структур, так и в новых областях техники и технологии сверхвысокочастотных и сверхширокополосных систем и устройств, оперирующих с импульсными сигналами пикосекундной длительности.

Заключение

Полученные данные позволяют расчетным путем конструировать полупроводниковые приборы по заранее заданным характеристикам. Возможно создание новых типов приборов или изменение конструкции - существующих. Например, один из дополнительных переходов можно безболезненно удалить из конструкции «туннельного» диода (любой). То же справедливо и для стабилитронов, поскольку два перехода не бывают идентичными, а близость их свойств может породить спонтанный переход стабилитрона в режим «туннелирования» на обратной ветви.

Раскрытие механизма образования паразитного диода и режима его работы позволяет решить проблему оптимизации переходов, заключающуюся в выборе технологических режимов изготовления приборов.

Рассмотренные примеры показывают, сколь ущербна сегодняшняя физика полупроводников и сколь необходима ее коренная переработка.

Список литературы

1. Тугов Н.М., Глебов Б.А. Полупроводниковые приборы -- М.:Энергоатомиздат,1990г.-- 576с.

2. Козлов В.А., Рожков А.В., Кардо-Сысоев А.Ф. Журнал «Физика и техника полупроводников», том 37, вып. 12 С-Пб: ФТИ, 2003г. - 140с.

3. Хлебников М.М. "Электронные приборы". Учебник для электротехнических институтов связи - М.: "Связь", 1986г. - 598с.

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника - М.: Высшая школа,1991г.-- 617с.

Страницы: 1, 2, 3