Явища на поверхні напівпровідника

 

В результаті взаємодії напівпровідника і навколишнього середовища на поверхні кристала утворюються різні з'єднання, що відрізняються за своїми властивостями від основного матеріалу. Крім того, обробка кристала приводить до дефектів кристалічної решітки на поверхні напівпровідника. З цих причин виникають поверхневі стани, що підвищують вірогідність появи вільних електронів або незаповнених ковалентних зв'язків. Енергетичні рівні поверхневих станів можуть розташовуватися в забороненій енергетичній зоні і відповідати донорним і акцепторним домішкам.

Поверхневі стани міняють концентрацію носіїв заряду, і в приповерхневому шарі напівпровідника виникає об'ємний заряд, що приводить до зміни рівня Фермі. Оскільки в стані рівноваги рівень Фермі у всьому кристалі напівпровідника однаковий, поверхневі стани викликають викривлення енергетичних рівнів в приповерхневому шарі напівпровідника.

Залежно від типу напівпровідника і характеру поверхневих станів може відбуватися збіднення або збагачення поверхні кристала носіями заряду.

Збіднення виникає в тому випадку, якщо поверхневий заряд співпадає по знаку з основними носіями заряду. На рис. 1.20 показане утворення збідненого шару на поверхні напівпровідника n-типу при такій щільності поверхневих станів, що рівні Win і Wфn не перетинаються. Підвищення щільності просторового заряду може привести до перетину рівня Фермі з рівнем середини забороненої зони (рис. 1.21), що відповідає зміні типу електропровідності у поверхні напівпровідника. Це явище називають інверсією типу електропровідності, а шар, в якому. воно спостерігається, - інверсним шаром.

Рис. 1.20 Утворення збідненого шару на поверхні напівпровідника n-типу.

Рис. 1.21 Зміна типу электропроводимости на поверхні напівпровідника n-типу.

 

Якщо знаки поверхневого заряду і основних носіїв протилежні, відбувається збагачення приповерхневої області основними носіями зарядів. Таку область називають збагаченим шаром (рис. 1.22).

Електропровідність приповерхневого шару напівпровідника може змінюватися під дією електричного поля, що виникає за рахунок напруги, що прикладається до металу і напівпровідника, розділеним діелектриком. Якщо припустити, що до включення напруги поверхневі стани на межі напівпровідника і діелектрика відсутні, то електропровідності приповерхневого шару і об'єму напівпровідника будуть однаковими.

При включенні напруги між металом і напівпровідником виникає електричне поле, і на поверхні металу і в приповерхневому шарі напівпровідника, як на пластинах конденсатора, накопичуються заряди. Наприклад, якщо напівпровідник електронний і до нього прикладається негативна напруга, то під дією електричного поля у

Рисунок 1.22 Утворення збагаченого шару на поверхні напівпровідника n-типу.

Рисунок 1.23 Графік зміни типу електропровідності на поверхні напівпровідника.

 

поверхні збільшуються концентрація електронів і електропровідність приповерхневого шару напівпровідника (див. рис. 1.22). При зміні полярності напруги концентрація електронів в приповерхневому шарі зменшується, а дірок - збільшується. У зв'язку з цим електропровідність приконтактной області зменшується, прагнучи до власної. Збільшення напруги призводить до того, що концентрація дірок стає вищою за концентрацію електронів і відбувається зміна (інверсія) типу електропровідності шару. При цьому електропровідність приповерхневого шару збільшується. Залежність електропровідності приповерхневого шару напівпровідника n-типу від напруги показана на рис. 1.23. Це явище прийняте називати ефектом поля.

 

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ

Класифікація

 

Класифікація напівпровідникових діодів проводиться за наступними ознаками:

- методу виготовлення переходу: сплавні, дифузійні, планарные, точкові, діоди Шотки і др.;

- матеріалу: германієві, кремнієві, арсенидо-галієві і др.;

- фізичним процесам, на використанні яких заснована робота діода: тунельні, лавинно-пролітні, фотодіоди, світлодіоди. діоди Ганна і др.;

- призначенню: випрямні, універсальні, імпульсні, стабілітрони, детекторні, параметричні, змішувачі, СВЧ-діоди і ін.

Деякі з вказаних типів діодів за призначенням будуть розглянуті в справжньому розділі, а інші - у відповідних розділах навчального посібника.

 

Випрямні діоди

 

Випрямними звичайно називають діоди, призначені для перетворення змінної напруги промислової частоти (50 або 400 Гц) в постійне. Основою діода є звичайний p-n перехід. У практичних випадках p-n перехід діода має достатню площу для того, щоб забезпечити великий прямий струм. Для отримання великих зворотних (пробивних) напруг діод звичайно виконується з високоомного матеріалу.

Основними параметрами, що характеризують випрямні діоди, є (рисунок 2.1):

- максимальний прямий струм Iпр _max;

- падіння напруги на діоді при заданому значенні прямого струму Iпр (Uпр» 0.3...0,7 В для германієвих діодів і Uпр» 0,8...1,2 В -для кремнієвих);

- максимально допустима постійна зворотна напруга діода

Uобр _max;

- зворотний струм Iобр при заданій зворотній напрузі Uобр (значення зворотного струму германієвих діодів на два -три порядки більше, ніж у кремнієвих);

- бар'єрна ємність діода при подачі на нього зворотної напруги деякої величини;

- діапазон частот, в якому можлива робота діода без істотного зниження випрямленого струму;

- робочий діапазон температур (германієві діоди працюють в діапазоні -60...+70°С, кремнієві - в діапазоні -60...+150°С, що пояснюється малими зворотними струмами кремнієвих діодів).

Рисунок 2.1 До визначення параметрів випрямних діодів.

 

Випрямні діоди звичайно підрозділяються на діоди малої, середньої і великої потужності, розраховані на випрямлений струм до 0.3, від 0,3 до 10 і понад 10 А відповідно.

Для роботи на високих напругах (до 1500 В) призначені випрямні стовпи, що є послідовно сполученими p-n переходами, конструктивно об'єднаними в одному корпусі. Випускаються також випрямні матриці і блоки, що мають в одному корпусі по чотири або вісім діодів, що сполучені по мостовій схемі випрямляча і мають Iпр _max до 1 А і U_{o6p max} до 600 В.

При протіканні великих прямих струмів Iпр і певному падінні напруги на діоді Uпp B йому виділяється велика потужність. Для відведення даної потужності діод повинен мати великі розміри p-n переходу, корпусу і висновків. Для поліпшення теплоотвода використовуються радіатори або різні способи примусового охолоджування (повітря або навіть водяне).

Серед випрямних діодів слід виділити особливо діод з бар'єром Шотки. Цей діод характеризується високою швидкодією і малим падінням напруги (Uпp < 0,6 В). До недоліків діода слід віднести малу пробивну напругу і великі зворотні струми.

 

Стабілітрони і стабістори

 

Стабілітроном називається напівпровідниковий діод, на зворотній гілці ВАХ якого є ділянку з сильною залежністю струму від напруги (рисунок 2.2), тобто з великим значенням крутизни DI/U (DI= Icт _max - Iст _min). Якщо така ділянка відповідає прямій гілці ВАХ, то прилад називається стабістором.

Стабілітрони використовуються для створення стабілізаторів напруги.

Напруга стабілізації Uст рівна напрузі електричного (лавинного) пробою p-n переходу при деякому заданому струмі стабілізації Iст (рисунок). Стабілізуючі властивості характеризуються диференціальним опором стабілітрона rд = DU/ID, яке повинне бути можливо менше.

До

До параметрів стабілітрона відносяться: напруга стабілізації Ucт, мінімальний і максимальний струми стабілізації Iст _min Iст _max.

Промисловістю випускаються стабілітрони з параметрами: Ucт від 1,5 до 180 В, струми стабілізації від 0,5 мА до 1,4 А.

Випускаються також двоханодні стабілітрони, що служать для стабілізації різнополярних напруг і є стрічно включеними p-n переходами.

 

Рисунок 2.2 До визначення параметрів стабілітронів.