Уральський державний технічний університет - УПІ Кафедра фізики РЕФЕРАТ з фізики на тему: Pn-перехід. Напівпровідникові діоди і застосування їх в техніці. Викладач: Папушина Т.І. Студент: Вакулина Е.С. Група: С-181 Єкатеринбург 2001 Зміст. Вступ. 3 Електронно-дірковий перехід 4 Динамічна рівновага процесів дифузії і дрейфу в електронно-діркового переходу. 4 Енергетична діаграма електронно-діркового переходу. 5 Напівпровідниковий діод. 7 Пристрій діода. 7 Статичні вольтамперні характеристики діода. 7 Пробій діода 9 Електричний пробій. 9 Тепловий пробій. 10 Ємності діода. 11 Бар'єрна ємність. 11 Дифузійна ємність. 13 Типи електропреобразовательних напівпровідникових діодів і їх застосування в техніці. 14 Випрямні діоди 14 Високочастотні діоди 14 Імпульсні діоди. 15 Напівпровідникові стабілітрони. 15 Варикапи. 16 Висновок. 17 Бібліографічний список: 18 Напівпровідники як особливий клас речовин, були відомі ще з кінця XIX століття, тільки розвиток теорії твердого тіла дозволила зрозуміти їх особливість задовго до цього були виявлені: · Ефект випрямлення струму на контакті метал-напівпровідник; · Фотопровідність. Були побудовані перші прилади на їх основі. О. В. Лосєв (1923) довів можливість використання контактів напівпровідник-метал для посилення і генерації коливань (кристалічний детектор). Однак в наступні роки кристалічні детектори були витіснені електронними лампами і лише на початку 50 - х років з відкриттям транзисторів (США 1949 рік) почалося широке застосування напівпровідників (головним чином германію та кремнію в радіоелектроніці) Одночасно почалося інтенсивне вивчення властивостей напівпровідників, чому сприяло вдосконалення методів очищення кристалів і їх легування (введення в напівпровідник певних домішок). В СРСР вивчення напівпровідників почалися в кінці 20 - х років під керівництвом А.Ф. Іоффе у Фізико-технічному інституті АН СРСР. Інтерес до оптичних властивостей напівпровідників зріс у зв'язку з відкриттям вимушеного випромінювання в напівпровідниках, що призвело до створення напівпровідникових лазерів спочатку на p - n - переході, а потім на гетероперехідах. Останнім часом більшого поширення набули прилади, засновані на дії напівпровідників. Ці речовини стали вивчати порівняно недавно, проте без них вже не може обійтися жодна сучасна електроніка, ні медицина, ні багато інших наук. Розглянемо докладніше принцип дії, типи і застосування в техніці напівпровідникових діодів. Розглянемо неоднорідний напівпровідник, одна частина якого має електронну електропровідність, а інша - дірковий. При цьому мова йде не про просте контакті двох різних напівпровідників, а про єдиний монокристалле, у якого одна область легована акцепторної домішкою, а інша - донорной. Між електронної та доречний областями розглянутої напівпровідникової структури завжди існує тонкий перехідний шар, що володіє особливими властивостями. Цей шар називається електронно-дірковий або pn-переходом. Електронно-дірковий перехід є основним структурним елементом більшості напівпровідникових приладів, його властивостями визначається принцип дії і функціональні можливості цих приладів. Динамічна рівновага процесів дифузії і дрейфу в електронно-діркового переходу. Приймемо, що в розглянутій pn-структурі концентрація дірок в доречний області вище, ніж в електронній (pp> pn), а концентрація електронів в електронній області вище, ніж в доречний (nn> np), на кордоні електронної та доречний областей існує градієнт концентрації носіїв заряду, що викликає дифузійний струм: дірок з p-області в n-область і електронів з n-області в p-область. Дифузійний перенос заряджених частинок супроводжується порушенням електричної нейтральності напівпровідника в безпосередній близькості від кордону областей: в p-області внаслідок відходу дірок виникає не скомпенсований негативний заряд, а в n-області внаслідок відходу електронів - позитивний заряд. В результаті діркова область набуває негативний потенціал щодо електронної області і в перехідному шарі створюється електричне поле, що викликає дрейфовий струм. Але при відсутності зовнішнього поля результуючий струм в напівпровіднику має дорівнювати нулю, ця умова динамічної рівноваги процесів в переході. Отже, дифузний струм в переході, що викликається градієнтом концентрації носіїв заряду, повинен врівноважуватися зустрічним дрейфуючим струмом, обумовленим напруженістю власного електричного поля E в переході: Таким чином, в електронно-діркового переходу завжди існують градієнт концентрації заряду, що викликає дифузію дірок і електронів, і зумовлений ним градієнт потенціалу власного електричного поля du / dx = -E, що викликає зустрічні дрейфуючі струми, що врівноважують дифузійні струми: Наявність цих градієнтів в pn-переході обумовлює істотну відмінність його електрофізичних властивостей від властивостей, прилеглих до нього p- і n-областей. Енергетична діаграма електронно-діркового переходу. Енергетичні діаграми відокремлених p- і n-областей напівпровідника показані на малюнку. В p-області рівень Фермі WFp зміщений в сторону валентної зони, а в n-області рівень Фермі WFn - в сторону зони провідності. У pn-структурі енергія рівня Фермі WF повинна бути всюди однакова: WF = WFp = WFn, так як в будь-якій точці тіла він має одну і ту ж ймовірність заповнення його електроном, рівну, за визначенням, ½, а однією і тією ж ймовірності заповнення рівнів повинна відповідати одна і та ж їх енергія. Оскільки розташування енергетичних зон щодо рівня Фермі в кожній з областей (доречний і електронної) фіксоване, з постійності енергії рівня Фермі по всій pn-структурі випливає, що валентні зони, а також зони провідності p- і n-областей повинні бути зміщені відносно один одного на величину WFn - WFp. З умов динамічної рівноваги процесів дифузії і дрейфу носіїв заряду в pn-переході слід, що різниця мінімальних енергій електронів провідності в p- і n-областях pn-структури Wcn - Wcp повинна дорівнювати Концентрація електронів в зоні провідності n-області вище, ніж в p-області, так як мінімальна їх енергія тут нижче (на величину Безпосередньо в області переходу енергетичні рівні, як в зоні провідності, так і в валентної зоні розташовані похило, що свідчить про наявність градієнта потенціалу, а, отже, і електричного поля, яке виштовхує рухливі носії заряду з переходу. З цієї причини концентрація електронів і дірок в переході дуже низька. База емітер за допомогою електродів (Е), що утворюють омические переходи, з'єднуються з висновками (В), за допомогою яких діод включається в електричний ланцюг. Основним структурним елементом напівпровідників діода, визначальним його функціональні властивості, є pn-перехід - тонкий проміжний шар між p- і n-областями. Статичні вольтамперні характеристики діода. В області малих струмів реальна і теоретична характеристики збігаються. Але при великих прямих токах, а також при високих зворотних напругах характеристики розходяться, що є наслідком ряду причин, не врахованих при теоретичному аналізі процесів в електронно-діркового переходу. В області великих прямих струмів внаслідок значного падіння напруги на розподіленому опорі бази діода і опорі електродів напруга на електронно-діркового переходу буде менше напруги U, прикладеної до діода, в результаті чого реальна характеристика виявляється розташованої нижче теоретичної і майже лінійної. Рівняння вольтамперної характеристики в цій області можна записати у вигляді: де r б - електричний опір бази, електродів і виведення в діоді. При підвищенні зворотної напруги зворотний струм діода не залишається постійним, а повільно збільшується. Однією з причин зростання зворотного струму діода є термічна генерація носіїв зарядів у переході. Складову зворотного струму через перехід, яка залежить від числа генеруються в переході в одиницю часу носіїв заряду, домовимося називати термотока переходу IT. З підвищенням зворотної напруги внаслідок розширення переходу збільшується його обсяг, тому число генеруються в переході носіїв заряду і термоток переходу зростають. Іншою причиною зростання зворотного струму діода є поверхнева провідність електронно-діркового переходу, обумовлені молекулярними і іонними плівками різного походження, які покривають виходить назовні поверхню переходу. Через нестабільність фізико-хімічної структури цієї поверхні, схильної до впливу навколишнього середовища, струм витоку по поверхні I у нестабільний, що призводить до «повзучості» характеристик діода. В сучасних діода поверхню переходу спеціально обробляють і захищають від зовнішніх впливів, тому струм витоку завжди істотно менше термотока. Таким чином, повний і зворотний струм діода: Коли зворотна напруга діода досягає певного критичного значення, струм діода починає різко зростати. Це явище називають пробоєм діода. Зауважимо, що пробій супроводжується виходом діода з ладу лише в тому випадку, коли виникає надмірний розігрів переходу, і відбуваються незворотні зміни його структури. Якщо ж потужність, що виділяється в діоді, підтримується на допустимому рівні, він зберігає працездатність і після пробою. Більш того, для деяких типів діодів пробою є основним робочим режимом. Напруга, при якому настає пробою переходу, заздрості від типу діода і може мати величину від одиниць до сотень вольт. Розрізняють два основних види пробою електронно-діркового переходу: електричний і тепловий. В обох випадках різке зростання струму пов'язаний зі збільшенням числа носіїв заряду в переході. При електричному пробої число носіїв заряду в переході зростає під дією сильного електричного поля і ударної іонізації атомів решітки, при тепловому пробої - за рахунок термічної іонізації атомів. Зазвичай довжина вільного пробіг електрона в напівпровіднику значно менше товщини електронно-діркового переходу. Якщо за час вільного пробігу електрони встигають набрати достатню енергію, то виникає ударна іонізація атомів електронами. В результаті ударної іонізації настає лавинної розмноження носіїв заряду. Величина напруги пробою залежить від роду матеріалу. Коли прикладена напруга наближається до напруги пробою, коефіцієнт розмноження носіїв різко зростає, зростає число носіїв заряду в переході, сильно збільшується струм через перехід, настає лавинний пробій. При значних напряженностях електричного поля (близько 200 кВ / см), можливий тунельний пробій, зумовлений прямим переходом електронів з валентної зони в зону провідності суміжній галузі, що відбувається без зміни енергії електрона. Практично при електричному пробої можуть мати місце в тій чи іншій мірі одночасно обидва види пробою - тунельний і лавинний. Величина напруги пробою істотно залежить від стану поверхні переходу, де можуть утворюватися заряди того чи іншого знака, які зменшують або збільшують результуючу напруженість поля у поверхні в порівнянні її значенням в обсязі. У несприятливому напрузі пробою по поверхні може бути в кілька разів нижче, ніж за обсягом. Це ще раз підкреслює важливість стабілізації властивостей поверхні напівпровідника, захисту її від впливів навколишнього середовища. Тепловий пробій діода виникає внаслідок перегріву переходу проходить через нього струмом при недостатньому теплоотводе, що не забезпечує стійкість теплового режиму переходу. У режимі постійного струму потужність, що підводиться до переходу, визначається зворотним напругою і зворотним струмом: Ця потужність йде на розігрів переходу, в результаті чого температура переходу зростає. При цьому збільшуються концентрації носіїв заряду в pn-структурі і зворотний струм переходу, що в свою чергу призводить до збільшення потужності, що підводиться, нового підвищення температури переходу і т. Д. Вирізняється тепло в переході розсіюється переважно за рахунок теплопровідності, тому що відводиться від переходу потужність пропорційна різниці температур переходу і навколишнього середовища: де RT - загальне теплове опір діода. Вольтамперная характеристика діода в режимі теплового пробою відповідає кривої б на рис. #. Вона має падаючий характер, так як внаслідок підвищення температури переходу концентрація носіїв заряду в ньому сильно збільшується і електричний опір переходу зменшується відносно швидше, ніж зростає струм переходу. Напівпровідниковий діод має ємнісними властивостями, тобто здатність накопичувати і відповідно віддавати заряд при збільшенні або зменшенні прикладеної напруги. Накопичення заряду відбувається в переході і базі діода, відповідно до цього розрізняють дві ємності діода - бар'єрну і дифузійну. При цьому: Для різкого p + -n-переходу об'ємний заряд в переході При зміні напруги на переході змінюється його товщина, а отже, і укладений в переході нескомпенсований заряд, що і обумовлює ємнісний ефект. Бар'єрної ємністю (ємністю переходу) називають відношення приросту заряду на переході dQд до викликав його приросту напруги du: Звідси випливає, що бар'єрна ємність пропорційна площі переходу П і зростає при збільшенні концентрації домішок. Крім того, вона залежить від напруги переходу, т. Е. Є нелінійної ємністю. Позначимо початкове значення бар'єрної ємності (при u = 0) через Тоді загальний вираз (*) можна записати у вигляді Графік залежності Cб / C0 = f (u) для діода з різким переходом представлений на рис (крива Б). З малюнка видно, що при збільшенні зворотної напруги ємність переходу падає. Спрощено цю залежність можна пояснити наступним чином. Напівпровідникова pn-структура являє собою як би електричний конденсатор, обкладками якого є р- і n-області, а діелектриком - електронно-дірковий перехід, практично не має рухомих зарядів. При збільшенні зворотної напруги товщина переходу зростає, обкладки конденсатора як би розсуваються і ємність його падає. Співвідношення (**) справедливо тільки для структур з різким переходом. У загальному випадку залежність ємності від прикладеної напруги може бути записана у вигляді де Значення С0 в тонких переходах можуть доходити до 300-600 пФ, а зміна ємності при зміні напруги може бути десятикратним. При переході в область прямих напруг зростає не тільки бар'єрна ємність діода, але і ємність, обумовлена накопиченням нерівноважного заряду в р-і n-областях структури. У несиметричною р + -n-структурі нерівноважний заряд, як вказувалося, накопичується в базі: Пов'язана з накопиченням нерівноважного заряду ємність діода називається дифузійної; вона характеризує зміну нерівноважного заряду в базі dQn при зміні напруги діода на величину du. З виразу (***) отримуємо для Ця Ємність істотно відрізняється від звічайної електрічної ємності тела, что характерізує Накопичення рівноважніх зарядів. Діфузійна Ємність характерізує Накопичення нерівноважного заряду, при цьом різнойменні заряди накопічуються в одному и тому ж обсязі, так як одночасно з інжекцією дірок з емітерного переходу до бази надходять Електрон з Виведення бази, чим забезпечується Збереження електрічної нейтральності тела бази. Внаслідок процесу рекомбінації накопичений заряд, а отже, і дифузійна ємність швидко зменшуються в часі. Швидкість спаду залежить від часу життя нерівноважних носіїв заряду і товщини бази. Для режиму коротких імпульсів, коли Для діода з тонкою базою при де Типи електропреобразовательних напівпровідникових діодів і їх застосування в техніці. В основі застосування напівпровідникових діодів лежить ряд їх властивостей, таких, як асиметрія вольт-амперної характеристики, зворотний пробою діркового переходу, залежність бар'єрної ємності від напруги і т. Д. В залежності від виду використовуваного властивості, т. Е. Від призначення, розрізняють шість основних функціональних типів електропреобразовательних напівпровідникових діодів: випрямні (силові) високочастотні діоди, імпульсні діоди, стабілітрони, варикапи варактори). Різку асиметрію вольт-амперної характеристики р-n-переходу широко використовують для випрямлення змінного струму низької частоти. Прилади, призначені для цієї мети, називаються випрямними діодами, вони є одним з найбільш поширених типів напівпровідникових діодів. У випрямних діодах електронно-дірковий перехід має велику площу, що забезпечує отримання випрямлених струмів необхідної величини. Для виготовлення випрямних діодів широко використовують кремній, який має вищу допустиму температуру і більш низьку ціну в порівнянні з германієм. Однак в потужних низьковольтних випрямлячах в ряді випадків вигідніше германієві діоди, так як вони мають меншу пряме падіння напруги, ніж кремнієві. Під назвою «високочастотні діоди» об'єднаємо цілу групу напівпровідникових діодів, призначених для обробки високочастотних сигналів, а саме: · Детекторні діоди, призначені для виділення низькочастотного сигналу з модульованого коливання; · Змішувальні діоди, використовувані для зміни несучої частоти модульованого коливання; · Модуляторні діоди, призначені для модуляції високочастотного коливання, і ін. Для всіх цих діодів загальним є робота на високих частотах. Якщо на низьких частотах струм в ланцюзі діода визначається тільки активними опорами електронно-діркового переходу (Rn), а також р-і n-областей напівпровідника (rб), то при роботі діода на високих частотах велику роль відіграють бар'єрна і дифузійна ємності. В результаті спільного впливу цих ємностей і активного опору rб властивості діода на високих частотах виявляються зовсім іншими, ніж на низьких частотах, випрямний ефект з ростом частоти майже повністю зникає. Напівпровідникові діоди широко використовують в якості ключа, т. Е. Пристрою, що має два стани: «відкрито», коли опір приладу дуже мало, і «закрито», коли його опір дуже велике. Час переходу діода з одного стану в інший повинно бути по можливості невеликою, тому що цим визначається швидкодія апаратури. Призначені для цієї мети діоди називають імпульсними або ключовими. Напівпровідникові стабілітрони. Режим електричного пробою pn-переходу знаходить практичне застосування для стабілізації напруги. Такі діоди носять назву напівпровідникових стабілітронів. В сучасних стабілітронах максимальний струм коливається в межах від декількох десятків міліампер до декількох ампер. Перевищення максимального струму призводить до виходу діода з ладу. Робоча напруга стабілітрона, що є напругою пробою р-n-переходу, залежить від концентрації домішок в р-n-структурі і лежить в межах 4-200 В. Напруга стабілітрона в робочому режимі мало залежить від струму, що є основою застосування цих приладів. Варикап - це напівпровідниковий діод, застосовуваний в якості електричного конденсатора, керованого напругою. У варикапа використовується залежність ємності переходу від зворотної напруги. Завдяки можливості зміни ємності за допомогою напруги варикапи знаходять застосування для настройки високочастотних коливальних контурів і управління частотою генераторів гармонійних коливань. Промисловістю випускається для цієї мети великий асортимент варикапов. Існує також різновид варикапов, спеціально призначених для параметричного посилення коливань і перетворення несучої частоти. Ці прилади називають варакторов або параметричними діодами. Найбільш важливі для техніки напівпровідникові прилади - діоди, транзистори, тиристори засновані на використанні чудових матеріалів з електронною або доречнийпровідністю. Широке застосування напівпровідників почалося порівняно недавно, а зараз вони отримали дуже широке застосування. Вони перетворять світлову та теплову енергію в електричну і, навпаки, за допомогою електрики створюють тепло і холод. Напівпровідникові прилади можна зустріти в звичайному радіоприймачі і в квантовому генераторі - лазері, в крихітній атомної батареї і в мікропроцесорах. Інженери не можуть обходитися без напівпровідникових випрямлячів, перемикачів і підсилювачів. Заміна лампової апаратури напівпровідникової дозволила в десятки разів зменшити габарити і масу електронних пристроїв, знизити споживану ними потужність і різко збільшити надійність. 1. В.А. Батушев «Електронні прилади», М .: Вища школа, 1990.. 2. І.В. Савельєв «Курс загальної фізики», М .: Наука, 1993 3. О.Ф. Кабардин «Фізика. Довідкові матеріали », М .: Просвещение, 1991 * Область, що має велику концентрацію основних носіїв заряду, відзначають знаком «+» у позначень типу електропровідності (наприклад, р +). 
, 
, Так само як і різниця енергій дірок, тому можна записати: 
), Ніж в зоні провідності p-області. Аналогічно, концентрація дірок у валентній зоні p-області вище, ніж в валентної зоні n-області. 
Напівпровідникових діодом називається двох електродний прилад, основу якого становить pn-структура, що складається з областей p-типу і n-типу, розділених електронно-дірковий переходом (рис.). Одна з областей pn-структури, звана емітером, має велику концентрацію основних носіїв заряду * , Ніж інша область, звана базою. 
Статична вольтамперная характеристика напівпровідникового діода показана на рис. Тут же пунктиром нанесена теоретична вольтамперная характеристика електронно-діркового переходу. Для наочності зворотна гілка характеристики зображена в більшому масштабі по току і в більш дрібному - по напрузі в порівнянні з прямою гілкою. 
, 
. 
. 
, 
(*) 
(**) 
, 
лежить в межах від 1/2 до 1/3 в залежності від концентраційного профілю переходу. 
(***) 
(****) 
, З виразу (****) отримуємо 
отрімуємо 
, 
- час дифузії носіїв заряду крізь базу.