Влияние температуры на проводимость полупроводников.

Как было сказано выше, с ростом температуры проводимость всех полупроводников увеличивается. На рис. 7.10. эта зависимость представлена в полулогарифмическом масштабе.

Шкала называется логарифмической, если на ней нанесены логарифмы чисел, а отметками шкалы являются сами числа.

Рис. 7.10

На рисунке представлена логарифмическая шкала х рядом с равномерной шкалой у, на которой нанесены десятичные логарифмы чисел х.

Увеличение проводимости полупроводников происходит тем интенсивнее, чем больше донорной или акцепторной примеси введено в полупроводник. До температуры Т₁ в полупроводнике наблюдается примесная электропроводность, обусловленная движением избыточных зарядов. В интервале температур Т₁ — T ₂ проводимость полупроводника несколько уменьшается (кривая 1). Это вызвано интенсивными тепловыми колебаниями его атомов, мешающими перемещению свободных электронов или: дырок. При дальнейшем же росте температуры в полупроводнике развивается собственная электропроводность. В связи с этим образуется большое количество новых электронов и дырок, направленное перемещение которых создает все возрастающий ток в полупроводнике, и его удельная проводимость резко возрастает.

Электронно-дырочный переход

Основным элементом структуры большинства полупроводниковых приборов является электрический переход ‑ переходный слой в полупроводниковом материале между областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электропроводности, причем одна из областей может быть металлом (рис. 7.11.)

Рис. 7.11.

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность р-типа, а другая-n-типа, называют электронным переходом или р—n переходом.

Создать р-n-переход механически соединением двух полупроводников с различным типом электропроводности невозможно, так как между полупроводниковыми пластинами неизбежно находятся поверхностные пленки или очень тонкий слой воздуха. Получают р-n-переход путем введения в полупроводник донорной и акцепторной примесей таким образом, чтобы одна часть полупроводника обладала электронной, а другая - дырочной электропроводностью.

Рассмотрим физические процессы, протекающие на границе раздела двух полупроводников с проводимостями различного типа (рис. 7.12, а), при отсутствии внешнего электрического поля. В полупроводниках n -типа концентрация  электронов п_п во много раз больше концентрации дырок p_n, т.е. п_п >> p_n

В полупроводнике р-типа, наоборот, Преобладает концентрация дырок, т. е. p_p -> n_p. Каждая область при этом остается электрически нейтральной так как суммарный заряд подвижных носителей заряда в ней уравновешивается суммарнымзарядом неподвижных зарядов ионов противоположного знака.

Но при контакте между областями р - и n -типов вследствие разности концентраций подвижных носителей заряда начнется перемещение (диффузия) электронов из n -области, где их много, в р -область, где их мало. Таким же образом дырки перемещаются (диффундируют) из р - области в n - область.

Рис. 7.12. Электронно-дырочный переход: а — при отсутствии

внешнего напряжения; б — под действием прямого напряжения;

в — под действием обратного напряжения

Электроны, пришедшие в р - область, заполняют в ней дырки, образуя прочные парноэлектронные связи. В результате они сами перестают быть подвижными носителями зарядов и, кроме того, заполняют дырки, являющиеся в р-области подвижными носителями. Таким же образом дырки, пришедшие в n-область, рекомбинируют со свободными электронами, связывая их.

Диффузия основных носителей зарядов приводит к следующему:

ü появлению контактной разности потенциалов на грани раздела двух типов полупроводников и образованию потенциального барьера между ними;

ü появлению запирающего слоя на грани раздела двух полупроводников.

После ухода электронов из n -области в ней остаются неподвижные положительно заряженные ионы донорной примеси, образовавшиеся в результате ухода подвижных электронов в р -область. Эти ионы создают в пограничном слое n -области положительный заряд, который теперь уже не уравновешивается подвижными электронами, так как они ушли в р -область.

В р -области после ухода из нее дырок остаются неподвижные отрицательные ионы акцепторной примеси, образовавшиеся в результате ухода подвижных дырок в n -область, а также заполнения дырок электронами, пришедшими из n -области. Эти неподвижные отрицательные ионы образуют в пограничном слое р -области отрицательный заряд, который не уравновешивается подвижными дырками, так как эти дырки ушли в n -область.

Следовательно, у границы раздела двух типов полупроводников образуется слой отрицательных зарядов в р -области и слой положительных зарядов в n -области. Между этими слоями противоположных по знаку зарядов возникает электрическое поле, напряженность которого максимальна на границе раздела областей р - и n -типа.

Разность потенциалов, создаваемая повышенной концентрацией подвижных зарядов на грани раздела двух типов полупроводников, называется контактной разностью потенциалов. У германия она достигает 0,2—0,3 В.

Электрическое поле контактной разности потенциалов направлено из n -области в р -область и, следовательно, препятствует дальнейшему переходу основных носителей из одной области в другую. В связи с этим контактную разность потенциалов у р — n -перехода называют потенциальным барьером (Δφ на рис. 7.12,а).

Потенциальный барьер препятствует дальнейшему перемещению основных носителей зарядов через р — n -переход. Пройти через переход смогут только те основные носители заряда, энергия которых окажется достаточной для преодоления потенциального барьера. Такую энергию носители зарядов могут приобретать за счет теплового движения. Следовательно, через р — n -переход и после образования потенциального барьера будут перемещаться основные и неосновные заряды.

При отсутствии внешнего электрического поля через р — n - переход протекают два тока: ток диффузии (направленное перемещение основных носителей зарядов под действием разности концентрации носителей) и ток дрейфа (направленное перемещение неосновных носителей зарядов под действием сил электрического поля).

Ток диффузии и ток дрейфа через р — n - переход протекают навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Суммарный ток через р — n -переход равен нулю.

При образовании контактной разности потенциалов по обе стороны границы раздела полупроводников образуется слой с пониженной концентрацией основных носителей зарядов. Он обладает повышенным сопротивлением и называется запирающим слоем. Толщина его — несколько микрон (d на рис. 7.12, а).

Прямое напряжение. Внешнее напряжение U, приложенное плюсом к р -области р — n -перехода, а минусом к n - области, называется прямым напряжением и принимается за положительное.

Если к р — n - переходу приложено внешнее прямое напряжение, то создаваемое им внешнее электрическое поле Е_вн оказывается направленным навстречу электрическому полю р — n - перехода.

Рис. 7.13

В результате этого высота потенциального барьера резко понижается (на значение внешнего напряжения). Одновременно происходит сужение запирающего слоя (рис. 7.12,б). Сужение потенциального барьера создает возможность перемещения свободных основных носителей заряда через р — n - переход. Вследствие разности концентрации носителей дырки из р -области будут переходить через барьер в n -область и распространяться в ее объеме.

Аналогично этому электроны из n - области перейдут через потенциальный барьер в р -область и распространятся в ней. В результате вблизи р — n - перехода повысится концентрация неосновных носителей зарядов.

Введение носителей зарядов через р — n — переход при действии прямого внешнего напряжения в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией. Так, при прямом напряжении дырки из р -области инжектируются в n -область, а электроны из n -области инжектируются в р -область.

Такое перемещение основных носителей зарядов через р — n - переход является током диффузии. С увеличением приложенного к р — n - переходу прямого напряжения ток диффузии основных носителей возрастает по экспоненциальному закону.

Ток, протекающий через р — n - переход под действием приложенного к нему прямого внешнего напряжения, называется прямым током. Протекающий через р — n -переход прямой ток направлен из р -области в n - область.

Обратное напряжение. Внешнее напряжение, приложенное «плюсом» источника питания к n - области р — n - перехода, а «минусом» к р -области, называется обратным.

Подключенное к р — n - переходу обратное напряжение создает на р — n -переходе электрическое поле, которое складывается с полем контактной разности потенциалов. В результате этого потенциальный барьер повышается, а толщина самого запирающего слоя увеличивается (рис. 7.12, в). Внешнее поле оттягивает основные носители зарядов от р — n - перехода. Перемещение свободных носителей зарядов через р — n - переход уменьшается, и при обратном напряжении, равном 0,2 В, ток диффузии совсем прекращается. Однако неосновные носители будут перемещаться через р — n - переход, создавая ток, протекающий из n -области в р -область. Этот ток называется обратным током I_обр. Значение обратного тока, протекающего через р — n -переход, очень незначительно. Он является дрейфовым током неосновных носителей через р — n - переход. Значительное электрическое поле, создаваемое обратным напряжением, перебрасывает через р - n - переход любой неосновной носитель заряда, появившийся в этом поле.

Таким образом, р — n - переход пропускает ток в одном направлении— прямом — и не пропускает ток в другом направлении — обратном, т. е. р — n -переход обладает вентильным свойством.

7.6. Вольт-амперная характеристика р — п- перехода.

Вольт-амперной характеристикой р — n -перехода называется зависимость тока, протекающего через р — n - переход от приложенного внешнего напряжения

I = f (U).

Уравнение вольт-амперной характеристики идеализированного перехода выводится при следующих допущениях:    

- все внешнее напряжение приложено только к р — n -переходу и напряженность электрического поля вне перехода равна нулю;

- носители заряда перемещаются в одном направлении— вдоль оси, перпендикулярной к плоскости перехода;

- переход должен быть тонким.

С учетом этого уравнение вольт-амперной характеристики идеализированного р — n -перехода (уравнение полного тока) можно представить в виде

I = I ₀ (e ^{- eU / kT )} ‑1),                      (7.18)

где I — полный ток через р — n -переход; I ₀ — обратный ток, называемый тепловым током; U — приложенное к переходу напряжение; kT / e — температурный потенциал.

Тепловой ток I ₀ зависит от вещества, из которого изготовлен переход, количества примесей и температуры. Тепловой ток не изменяется с изменением напряжения на р— n -переходе.

Анализ уравнения вольт-амперной характеристики идеализированного р — n -перехода показывает следующее.

При комнатной температуре e /(kT)≈ 40 В^-1 и прямом напряжении, превышающем 0,1 В, в этом уравнении можно единицей пренебречь. Тогда при увеличении прямого напряжения прямой ток, протекающий через р — n -переход, увеличивается по экспоненциальному закону.

При обратном напряжении U = — (0,1 ÷0,2) В экспоненциальный член уравнения полного тока оказывается намного меньше единицы и им можно пренебречь. Тогда при обратном напряжении ток, протекающий через р — n -переход, оказывается равным тепловому току. Он незначителен и не зависит от напряжения на р — n -переходе.

Таким образом, значение и направление тока, протекающего через р — n -переход, определяется значением и знаком приложенного напряжения.

Вольт-амперная характеристика р —n-перехода, построенная на основании уравнения (4.18), приведена на рис. 4.7. Из рисунка следует, что р — n переход обладает односторонней проводимостью и характеристика его нелинейна. Свойство односторонней проводимости полупроводниковых диодов используется для выпрямления переменного тока в постоянный.

 

7.7. Использование полупроводниковых приборов с р – n переходом.

 

Диоды

Выпрямительный диод – полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Полупроводниковые диоды подразделяются по многим признакам. Прежде всего, следует различать точечные, плоскостные и поликристаллические диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n перехода, такого же порядка как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или нескольких десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и более. Поэтому их применяют на частотах не более десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер и больше.

Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также и арсенид галлия и карбид кремния.

Следовательно, принципиальной разницы между точечными и плоскостными диодами нет.

Поликристаллические диоды имеют p-n переход, образованный полупроводниковыми слоями, состоящими из большого количества кристаллов малого размера, различно ориентированных друг относительно друга и поэтому не представляющих собой единого монокристалла. Эти диоды бывают селеновыми, меднозакисными (купроксными) и титановыми.

Принцип устройства точечного диода показан на рисунке 1. В нем тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают в нем область с другим типом проводимости. Это процесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы получается мини p-n переход полусферической формы.

Из-за малой площади контакта прямой ток таких диодов невелик. По этой же причине у них мала и межэлектродная ёмкость, что позволяет применять эти диоды в области высоких частот. Точечные диоды используются в основном для выпрямления.

Позже появились еще так называемые микро-плоскостные или микросплавные диоды, которые имеют несколько больший по плоскости p-n переход, чем точечные диоды

Рис. 7.15. Точечный диод	Рис.7.16. Микро-плоскостные диоды	Рис. 7.17. Плоскостной диод

 

В плоскостных диодах (рис. 7.16) p – n переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводимости, причем, плоскость перехода может достигать нескольких квадратных сантиметров (силовые диоды). Плоскостные диоды изготавливаются, главным образом, методами сплавления диффузии. Для примера на рисунке 7.16 показан принцип устройства сплавного германиевого диода. В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 градусов каплю индия, которая сплавляясь с германием, образует слой германия p-типа.

По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны.

В зоне рабочих температур выпрямительные диоды обладают односторонней проводимостью.

По конструктивному исполнению диоды малой мощности на прямые токи до 0,3 А выполняются точечными, на токи от 0,3 А до 10 А и выше выполняются плоскостными.

Область рабочих токов и напряжений диода ограничены максимально допустимым средним прямым током I _пр.max и максимально допустимым обратным напряжением U _{обр. max}. При токе через диод, превышающем I _пр.max, или обратным напряжением на диоде, большим по абсолютной величине, чем U _{обр. max}, диод выходит из строя.

Характеристикой проводящих свойств диода является дифференциальное сопротивление, которое определяется как отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока. В прямом направлении сопротивление диода составляет сотые-десятые доли Ом, в обратном направлении – единицы-десятки Мом.

R _диф = dU/dt

В выпрямительных установках для получения больших выпрямленных токов используют параллельное включение диодов, а для увеличения значения обратного напряжения применяют последовательное включение диодов.

При подборе диодов для какой-либо схемы руководствуются значениями I _пр.max и U _{обр. max}. Эти значения должны несколько превышать значения напряжения и тока, допустимые для данной схемы. Например, однополупериодный выпрямитель должен работать на нагрузку, потребляющую ток 0,25 А. Амплитудное значение напряжения на диоде составляет 300 В. Из справочника выбираем диод КД105Б, имеющий I _пр.max = 300мА, U _{обр. max} = 400 В, или нечто подобное.

Все параметры диода можно определить по вольт-амперной характеристике (ВАХ). На рис. 7.18 приведена ВАХ диода и показан пример определения параметров диода.

Рис. 7.18.

 

 

ВАХ германиевых диодов (Ge) и кремниевых (Si) отличаются вследствие того, что концентрация неосновных носителей у кремния существенно меньше, чем у германия при той же температуре (рис. 7.19).

Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны кремния больше по сравнению с германием. По той же причине падение напряжения на переходе при прямом его включении выше у кремниевых диодов.

На рис. 7.19 б) представлены прямые ветви вольт-амперные характеристики кремниевого (Si) Д226 и германиевого (Ge) Д6Ж диодов.

 

Пробои p-n перехода.

Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои. ВАХ различных пробоев проведены на рис 7.20.

Рис. 7.20.

Следует отметить кардинальную разницу между туннельным и лавинным пробоями и тепловым пробоем. Рассмотрим электрический пробой, обращая внимание на это отличие.

Электрический пробой.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p -типа в область n -типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

В устройствах судовой электроники наряду с рассмотренными, в качестве примера, выпрямительными диодами применяются и полупроводниковые диоды – стабилитроны.

Стабилитрон - это полупроводниковый диод с уникальными свойствами. Если обычный полупроводник при обратном включении является изолятором, то он выполняет эту функцию до определенного роста величины приложенного напряжения, после чего происходит лавинообразный обратимый пробой. При дальнейшем увеличении протекающего через стабилитрон обратного тока напряжение продолжает оставаться постоянным за счет пропорционального уменьшения сопротивления. Таким путем удается добиться режима стабилизации.

В закрытом состоянии через стабилитрон сначала проходит небольшой ток утечки. Элемент ведет себя как резистор, величина сопротивления которого велика. При пробое сопротивление стабилитрона становится незначительным. Если дальше продолжать повышать напряжение на входе, элемент начинает греться и при превышении током допустимой величины происходит необратимый тепловой пробой. Если дело не доводить до него, при изменении напряжения от нуля до верхнего предела рабочей области свойства стабилитрона сохраняются.

Основное использование диодов это выпрямление переменного тока.

На рис. 7.21. представлен процесс выпрямления переменного тока на входе схемы в однополярное напряжение и ток, протекающий через нагрузку на выходе.

 

Ток и напряжение на выходе схемы имеет пульсирующий характер. Значение выпрямленного напряжжения определяется как срднее значение за период.