69008

Електронні структури з p-n одним переходом

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Для отримання великої площі р n переходу використовують сплавну дифузійну і планарну технологію для малої площі точкову. Ємності р n переходу. Варікапи Поняття ємності переходу повязане з нагромадженням обємних зарядів. S площа переходу Рис.

Украинкский

2014-09-28

297 KB

0 чел.

Тема 3. Електронні структури з p-n одним переходом

5. Діодні структури

5.1.Особливості діод них структур

Діодна структура є основним елементом будь-якого напівпровідникового приладу, який може мати одну чи декілька діодних структур. Напівпровідникові прилади, які мають одну діодну структуру є діодом, дві – транзистором, три чи більше – тиристором.

Діодна структура містить р-n перехід. Для її підключення в ланцюг до області діодної структури припаюються виводи. При виготовленні діодів використовують різну технологію. Технологія виготовлення діодів залежить від їх типів. Для отримання великої площі р-n переходу використовують сплавну, дифузійну і планарну технологію, для малої площі – точкову.

При сплавній технології для отримання р- області на пластинку із малоле- гованого n- напівпровідника (наприклад, германію) розміщують шматок доміш- кової речовини з р- провідністю ( наприклад, індію )  і нагрівають її в водневій печі. Індій виплавляється у германій, у пластині виникає область, яка має велику кількість р-домішок. Це область емітера. Основний напівпровідник є базою. Область між емітером і базою і є р-n переходом ( рис. 5.1 ).

Рис. 5.1. Конструкція, структура та позначення діода

Дифузійна технологія заснована на дифузії в напівпровідник домішкових  матеріалів, які знаходяться у парообразному стані. Початковий н/п – мало- легований. На деякій глибині н/п електропровідність його стає скомпенсованою Na = Nα, а далі він змінює тип електропровідності. Особливістю цієї технології є неоднакова концентрація атомів вздовж осі Х, яка призводить до появи у н/п  внутрішнього електричного поля, яке сприяє або перешкоджає руху носіїв (рис.5.2).

Рис.5.2. Розподіл концентрації домішок в напівпровіднику

При виготовлені НПП і мікросхем використовують планарну технологію. Вона потребує багатьох операцій: окиснення, дифузії, фотолітографії (рис. 5.3)

5.2.Ємності р-n переходу. Варікапи

      Поняття ємності переходу пов’язане з нагромадженням об’ємних зарядів. Існує бар’єрна та дифузійна ємності. Бар’єрна ємність визначається нерухомими іонами атомів домішок, дифузійна – рухомими носіями заряду. Бар’єрна ємність існує при зворотній напрузі, дифузійна – при прямій.

5.2.1. Бар’єрна ємність

Бар’єрна ємність (СБАР) утворюється об’ємним зарядом нерухомих іонів атомів домішок Q, який розміщується в р-n переході (рис.5.4).

Q =S e δ N,

де δ=     .

 S – площа переходу

                                        Рис. 5.4.  P-n перехід при зворотній напрузі:

                                      а- структура   р-n переходу;  б- вольт-фарадна характеристика

      При зміні напруги   UЗВ змінюеться товщина  р-n переходу та об’ємний заряд Q в ньому.

      Тоді можна записати

                                СБАР=   ,                                      (5.1)

де S-площа переходу.

      З формули (5.1) виходить , що з ростом напруги UЗВ ємність СБАР зменшується . Ця залежність має назву вольт-фарадна характеристика (рис. 5.4.б).

5.2.2. Дифузійна ємність

      З подачею прямої напруги з′являється дифузійний струм завдяки інжекції основних носіїв заряду (дірок) з емітера в базу, що утворює нерівноважений заряд бази QБ (рис.7.2).

                           Рис. 5.5.  Структура р-n переходу при прямій напрузі

      

Наявність заряду QБ визначає появу дифузійної ємності переходу CДИФ, яку можна визначити відношенням приросту нагромадженого заряду ΔQБ до зміни прямої напруги на переході UПР

Заряд ΔQБ залежить від прямого струму ІПР , часу життя дірок р і тривалості імпульсу напруги tI

QБ=І ПРּτРּ(1-)

tI  >> τР ,       тому  →0      і     QБ=ІПРּ τР

Тоді

CДИФ=   .

Як відомо, при прямій напрузі ВАХ діода описується за формулою

ІПР=І0ּ(-1)  ,

оскільки   >>1, тому                ІПР І0  .

Тоді                 CДИФ= τР І0 = ІПР τР  .

Таким чином , дифузійна ємність залежність від прямого струму ІПР , часу життя дірок τР , температури Т.

Вольт-фарадну характеристику дифузійної ємності наведено на рис. 5.6.

                           Рис.5.6.  Залежність дифузійної ємності СДИФ від напруги

Хоча накопичення нерівноважних рухомих носіїв заряду здійснюється не в переході , а в базі, для зручності аналізу, дифузійну ємність вважають складовою ємності р-n переходу, підключеною паралельно до бар’єрної ємності.

5.4. Пробій р-n переходу

Збільшення зворотної напруги, прикладеної до р-n структури, може при- вести  до її пробою, який проявляється у різкому зростанні струму.

Пробій може бути:

  •  електричним ( при зворотній напурзі );
    •  тепловим ( при прямій напрузі );
    •  змішаним.

Тепловий пробій.

Виникає внаслідок порушення рівноваги між теплом, що виділяється у р-n переході і теплом, що відводиться від нього. При підвищенні температури починається термічна іонізація атомів кристалічних ґраток, яка призводить до теплового розмноження носіїв зарядів, збільшується концентрація неосновних носіїв зарядів, зменшується опір переходу і зростає зворотній струм. Це в свою чергу веде до подальшого розігріву структури. Процес зростає лавинно, тому струм збільшується стрибком, виникає незворотна зміна структури і р-n перехід виходить з ладу –порушується однобічна провідність:

Рпід = Uзв Iзв                        Рвід = ,

де      Рпід – потужність, що підводиться,

Рвід –потужність, що відводиться,

Тnтемпература переходу,

То – температура зовнішнього середовища,

Rт – тепловий опір, визначається перепадом температур, необхідний для відводу тепла від переходу в зовнішнє середовище.

Звідси можна знайти максимальне допустиме значення зворотної напруги.

Uзв =

Тобто допустима зворотна напруга тим вища, чим менший зворотній струм переходу, тепловий опір і температура середовища та чим вища допустима тем- пература переходу. В момент пробою спад напруги на переході буде U (рис.5.7)

Рис. 5.7. Графік пробою

Тепловий пробій спостерігається переважно  у германієвих переходах. Зворотній струм силіцієвих переходів настільки малий, що тепловий пробій в них практично неможливий.

  Електричний пробій

Є три види електричного пробою:

  •  лавинний;
    •  тунельний;
    •  поверхневий.

Лавинний пробій спостерігається при широкому переході ( більшим за довжину вільного пробігу ). В цьому випадку електрони під дією сильного електричного поля іонізують атоми н/п у переході. У результаті цього виникають нові електрони, які іонізують інші атоми і т.д. Виникає лавинний процес ( ударна іонізація) різко збільшується зворотній струм переходу, тому що електрони мають енергію, достатню для проходження крізь потенціальний бар’єр р-n переходу. Якщо струм крізь перехід обмежений опором зовнішнього ланцюга і потужність, яка виділяється на переході малі, то пробій може бути оборотний. В іншому випадку електричний пробій може перейти у тепловий.

Тунельний пробій виникає при великій концентрації домішок у  р та  n- областях структур ( порядку 1019 м –3 ), що визначає велику напруженість поля на вузькому  р-n переході. В цьому випадку енергія Фермі буде у зоні провідності (для n- області) і у валентній зоні (для р- області). Тобто н/п є виродженим. По обидва боки переходу будуть однакові енергетичні рівні, тому носії заряду переходять із одної області у другу без витрати енергії (рис. 5.8).

Із фізики відомо, що електрон, який має енергію, недостатню для переходу через потенціальний бар’єр, все таки долає його, якщо за бар’єром є такий самий вільний енергетичний рівень, на якому він знаходиться перед бар’єром. Він залишає одну область н/п з тією енергією з якою входить у другу. Це стає мож- ливим  при великій напруженості поля, яка зміщує енергетичні поля. Електрони рухаються у бік р-n – переходу під дією прямої напруги і проходять крізь нього (ніби крізь тунель), навіть не витрачаючи енергії.

Рис. 5.8. Тунельний перехід носіїв

Таким чином, при вузькій ширині переходу і великій напруженості поля  енергетичнії зони зміщуються так, що напроти заповнених рівнів зони провідності  n- області будуть знаходитись вільні рівні валентної зони   р- бласті. Це призводить до спонтанного переходу електронів із зони провідності у валенту зону   р- області. 

Поверхневий  пробій виникає там, де перехід виходе на поверхню н/п крис-талу і наявності поверхневого поля, що збільшує напруженість поля у припо- верхневих шарах переходу. Наприклад при наявності на поверхні позитивного заряду електрони із  n- області притягуються до поверхні, заповнюючи частину області   р-n переходу, що приводить до зменшення товщини переходу у при- поверхневих шарах і збільшенню ймовірності пробою (рис.5.9).

Рис.5.9. Поверхневий пробій

5.3. Моделі діодних структур

Моделлю будь-якого об′єкту називається таке його представлення, яке відповідає за своїми властивостями досліджуємому об′єкту і дозволяє замінити його при дослідженні, проектуванні, вивченні.

Модель в електроніці може бути в аналітичній формі – формула , в графічній – ВАХ, електричною схемою заміщення, фізичною структурою.

З урахуванням динамічної складової формулу для ВАХ діода можна записати в такому виді

і=І(u)+CП  ,

де перша складова є статичним струмом, а друга – динамічним (CП-ємність переходу, CП = CБ+ CДИФ).

При аналізі і синтезу схем з н/п діодами застосовується модель, яка є схемою заміщення або еквівалентною схемою н/п діода(рис.5.10).

Рис.5.10.   Моделі р-n структури:

а-фізична модель;  б-схема заміщення

На схемі (рис. 5.10)

СП= CБАР + CДИФ - ємність переходу, яка залежить від напруги;

RП - опір переходу ,  RП= (з ВАХ);

rЕ , rБ – розподілений опір емітера , бази та їх виводів;

LВ – індуктивність виводів;

СВХ, СВИХ, СК – вхідна , вихідна та конструктивна ємності діода.

Концентрація дірок в емітері (р - області) в 10-100 разів більша за концентрацію електронів в базі (n - області) . Це означає , що rЕ << rБ . Окрім того, значення LВ і СК малі. Тому схему заміщення діода можна зобразити в спрощеному вигляді (рис.5.11).

 Рис.5.11. Спрощена схема заміщення р-n структури

      Зі схеми заміщення н/п діода видно , що ефективність його роботи з ростом частоти зменшується. Це зв′язано з наявністю ємності р-n переходу , яка його шунтує , опору об′єднаної області переходу та наявністю опору слабо лігованої області бази.

      Ємність кремнієвих діодів при зворотній напрузі  (і прямій  до 0,4...0,5 В) буде бар′єрною. При більшій прямій напрузі вона стає дифузійною.

  1.  Класифікація та позначення діодів

 Найчастіше застосовуються: випрямні діоди, стабілітрони, варікани, тунельні і оборотні, діоди Ганна, діоди шотки, генератори шуму, імпульсні діоди, стабілізатори струму, світлодіоди, магнітодіоди, фотодіоди.

Система позначення діодів

1 елемент.  Літера ( або цифра ) визначає початковий напівпровідниковий          матеріал або його сплави

               Г  або 1 – германій

               К  або 2 – кремній

               Д  або 3 – сплав гелію

2 елемент.  Літера, що вказує клас приладу.

                 А – НВЧ діод;

                 Б – прилад з обємним ефектом ( Ганна );

                 В – варікап;

                 Г – генератор шума;

                 Д – випрямні, універсальні і імпульсні діоди;

                 И – тунельний та оборотній діод;

                 К – стабілізатор струму;

                 Л – світлодіод;

                 С – стабілітрон і стабістор;

                 Ц – випрямні стовпці або блоки.       

3 елемент.  Тризначне число, яке визначає технологічний тип приладу,

                   його призначення і номер розробки ( останні дві цифри, окрім           стабілітронів і стабісторів )*.

                   Перша цифра 3-го елемента відповідає типу діодів:

 -  для НВЧ діодів ( А ):

                            1 – змішувальні            2 – детекторні

                            4 – параметричні          5 – регулювання

                            6 – помноження      7 – генераторні

 

 -  для варікапів ( В ):

                            1 підстройки

                            2 – помноження      

 -  для діодів ( Д ):

                            1 – випрямні малої потужності ( Іпр до 0,3 А );  

                            2 – випрямні середньої потужності ( Іпр до 10 А );

                            4 – універсальні ( з робочою частотою до 1 ГГц );

                              – імпульсні з часом відновлення :

                             5 – більше 150 нс,

                            6 – 30  150 нс,

                            7 – 5  30 нс,

                            8 – 1  5 нс,

                            9 – менше 1 нс;

    -  для тунельних та оборотних діодів ( И ):

               1 – підсилювальні,

               2 – генераторні,

               3 – перемикання,

               4 – оборотні;

   

*   -  для стабілітронів і стабісторів останні дві цифри означають:

  •  при напрузі стабілізації Uст < 10 В – десяті долі  Uст ;
    •  при Uст = 10  99 В – номінальне Uст ;
    •  при Uст = 100  199 В – різницю між номінальним Uст  і 100 В .

4 елемент.  Літера, що означає класифікацію діодів в середині технологіч-

                    ного типу по  одному або  декількох електричним параметрам.

Якщо  дві літери, то остання з  них означає конструктивну модифікацію даного діода.

Схемне позначення діодів наведено в тблиці 5.1.

Таблиця 5.1

1. Діод

Випрямний блок

Загальні позначення

2. Тунельний діод

3. Оборотний діод

4. Стабілітрон

а) однобічний

б) двобічний

Конструктивно діод має н/п – кристал, який розміщують в герметичному корпусі. На корпус наносять маркування типу діодів.

Електричні властивості діодів визначають її статичними ВАХ і параметра-ми, які наводяться в довідниках.

+

Б

Е

Б

Е

n -

p +

p-n перехід

Емітер

Вивід емітера

Вивід бази

p +

n -

x

n

p

Nд

Na-Nд

Na

N

фоторезист

маска

Si O2

n

n

n

Si O2

n

Si O2

n

Si O2

р

р

р

U

I

 U

δ1

перехід

p-n

p+

СБАР

n-

Область

підвищеної

концентрації

електронів

травлення

Дифузія акцепторів (р)

Рис. 5.3.  Технологія виготовлення діодних структур

База

 p

n

СБАР

СНОМ

СМІН

UЗВ

0

UНОМ

UМІН

UМАКС

б

а

Б

E

С, НФ

СДИФ

U , В

0

Q

p

n

rЕ

n

СК

n

СП

LВ

RП

rБ

Е

Б

rБ

Б

Е

Вх

Вих

p+

СВИХ

СВХ

RП

СП

б

а

RП

СП

rБ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12097. Магнитное поле на оси короткого соленоида 49 KB
  Лабораторная работа № 5.28к Магнитное поле на оси короткого соленоида Цель работы: ознакомиться с баллистическим методом измерения магнитной индукции магнитного поля соленоида. Работа выполняется на ЭВМ. Краткие теоретические сведения Баллистический мето
12098. Снятие основной кривой намагничения 63 KB
  Лабораторная работа 530k Снятие основной кривой намагничения Цель работы: познакомиться с баллистическим методом измерения индукции магнитного поля; снять основную кривую намагничения ферромагнитного материала. Работа выполняется на ЭВМ. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ...
12099. Исследование работы однополупериодного выпрямителя при активной и ёмкостной нагрузках 940 KB
  ЛАБРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Исследование работы однополупериодного выпрямителя при активной и ёмкостной нагрузках Цель исследования. Исследовать работу ОПВ на активный характер нагрузки. Исследовать работу ОПВ на ёмкостный характер нагрузки. Выполнит
12100. Исследование полупроводниковых диодов (выпрямительных и светодиодов) 352 KB
  ЛАБРАТОРНАЯ РАБОТА№ 1 Исследование полупроводниковых диодов выпрямительных и светодиодов а б Рис.1.1. Графическое представление выпрямительного диода а и светодиода б в схемах электрических принц
12101. Исследование работы опорного диода (кремниевого стабилитрона) 220.5 KB
  Лабораторная работа № 2 Исследование работы опорного диода кремниевого стабилитрона Рис.2.1. Графическое представление опорного диода в схемах электрических принципиальных На рис.2.2 показана схема которая наглядно показывает те источники питания элемен
12102. Исследование работы мостового двухполупериодного выпрямителя (ДПВ) при активной и ёмкостной нагрузках (схема Греца) 529 KB
  Лабораторная работа № 4 Исследование работы мостового двухполупериодного выпрямителя ДПВ при активной и ёмкостной нагрузках схема Греца Цель исследования. Исследовать работу ДПВ на активный характер нагрузки. Исследовать работу ДПВ на ёмкостный хар
12103. Исследование ВАХ выпрямительного диода 119 KB
  Отчёт по лабораторной работе № 1 Цель исследования. Исследовать ВАХ выпрямительного диода. Исследовать ВАХ светодиода. Определить статические параметры исследуемых выпрямительных диодов по ВАХ полученных в процессе эксперимента. Выполнение лабо...
12104. Исследовать прямую и обратную ветви ВАХ опорного диода 88 KB
  Отчёт по лабораторной работе № 2 Цель исследования. Исследовать прямую и обратную ветви ВАХ опорного диода. Выполнить необходимые расчёты параметров опорного диода по экспериментальным ВАХ. Выполнение лабораторной работы № 1 Оборудование: Лаб
12105. Исследование работы мостового выпрямителя 225.5 KB
  Отчёт по лабораторной работе № 4 Исследование работы мостового выпрямителя Цель работы. Исследование работы мостового выпрямителя при активной и ёмкостной нагрузках Оборудование: Лабораторный стенд ELVIS2 Компьютер 3. Режимные элементы резистор R