9.2. Контактные явления в полупроводниках

В полупроводниковых приборах используются специфические явления, возникающие на границе раздела как между полупроводниками р- и n-типов, так и между этими полупроводниками и диэлектриками, а также металлами.

Контактные явления на границе полупроводников р- и п -типов. Для удобства анализа воспользуемся идеализированной плоскопараллельной конструкцией границы раздела полупроводников (рис. 9.4, а).

Рассмотрим сначала явления на границе раздела идеальных полупроводников п- и р-типов, в которых будем пренебрегать термогенерацией, т. е. неосновными носителями.

Вследствие разности концентраций свободных дырок и электронов по обе стороны от границы раздела полупроводников при разомкнутой цепи источника энергии из полупроводника р-типа часть дырок диффундирует в полупроводник п-типа, а из полупроводника n-типа часть электронов диффундирует в полупроводник р-типа, полностью рекомбинируя между собой. В результате вдоль границы раздела полупроводников возникают слои неподвижных отрицательных и положительных ионов соответственно со стороны полупроводников р- и п-типов, которые образуют p-n-переход. Абсолютные значения зарядов обоих слоев одинаковые.

Рис. 9.4

Возникающее между этими слоями электрическое поле с напряженностью Е препятствует дальнейшей диффузии свободных дырок и электронов через границу раздела. При некотором значении напряженности электрического поля в p-n-переходе диффузия через границу раздела полностью прекращается. Если на границе раздела (х = 0 на рис. 9.4, б) принять значение потенциала φ(0) = 0, то распределение потенциала в полупроводниках р- и n-типов будет определяться зависимостью

(9.3)

Разность потенциалов на p-n-переходе называется высотой потенциального барьера. Если к свободным торцам полупроводников р- и n-типов подключить источник энергии с напряжением U < 0, то высота потенциального барьера возрастет и в цепи не будет тока. Если напряжение источника U > 0, то высота потенциального барьера уменьшится и в цепи возникнет электрический ток. Следовательно, в идеальном p-n-переходе может быть электрический ток диффузии основных носителей I_диф только одного направления.

Явление термогенерации несколько изменит процессы в р-п- переходе. При увеличении потенциального барьера под действием внешнего источника энергии ток уже не равен нулю. Вследствие малой интенсивности термогенерации значение этого тока невелико.

9.3. Полупроводниковые диоды

В полупроводниковых диодах используется свойство р-п-перехода, а также других электрических переходов хорошо проводить электрический ток в одном направлении и плохо — в противоположном. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами диода называются прямым и обратным токами, прямым и обратным напряжениями.

По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов переход получается методами спавления пластин р- и п-типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примесных атомов. При этом p-n-переход создается на значительной площади (до 1000 мм²). В точечных диодах площадь перехода меньше 0,1 мм². Они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10 — 20 мА.

По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие диоды и т. д.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффузионной технологии. На рис. 9.5 приведены условное изображение выпрямительного диода и его типовая вольтамперная характеристика.

Прямой ток диода направлен от анодного А к катодному К выводу. Нагрузочную способность выпрямительного диода определяют: допустимый прямой ток I_пр и соответствующее ему прямое напряжение U_пр, допустимое обратное напряжение U_обр и соответствующий ему обратный ток I_обр, допустимая мощность рассеяния Р_рас и допустимая температура окружающей среды (до 50 °С для германиевых и до 140 °С для кремниевых диодов).

Рис. 9. 5

Рис. 9.6

Вследствие большой площади p-n-перехода допустимая мощность рассеяния выпрямительных диодов малой мощности с естественным охлаждением (рис. 9.6, а) достигает 1 Вт при значениях прямого тока до 1 А. Такие диоды часто применяются в цепях автоматики и в приборостроении. У выпрямительных диодов большой мощности (рис. 9.6, б) с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным) допустимая мощность рассеяния достигает 10 кВт при значениях допустимых прямого тока до 1000 А и обратного напряжения до 1500 В.

Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования импульсов напряжения и тока.

Стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназ­начены для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) p-n-перехода при определенных значениях обратного напряжения U_обр = U_проб (рис. 9.7, а).

Рис. 9.7

На рис. 9.7, б приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки R _н. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатора U_вх > U_npoб(R_н + R)/R_н напряжение между выходными выводами U_вых U_npoб изменяется незначительно.