Р–n переход и его свойства

В полупроводниках n-типа свободных электронов больше чем вакансий, p-типа – наоборот. Рассмотрим контакт двух полупроводников с разным типом проводимости (p-n-переход.)

Технология изготовления переходов, контактов и др.

1. Сплавная. Например, германий сплавляют с индием. Этот сплав образуется непосредственно на поверхности германиевой пластины расплавлением таблетки индия в инертной газовой среде.

2. Планарная технология. Получение p-n перехода с помощью локальной диффузии примеси

в окисленный кремний. При этом все внешние границы переходов выходят на одну поверхность. Границы переходов разделены окисной пленкой (это хороший диэлектрик).

3. Сложные схемные решения реализуются способом литографии.

4. Э питаксильные технологии.

Заключительная операция- металлизация подводящих контактов.

Потенциальный барьер p-n перехода. Свойства.

W

зона проводимости

p

i-тип

Р-тип

n-тип

Валенная зона р-п

Диффузионный поток электронов в контакте будет направлен в область p-типа. В узком слое контакта произойдет рекомбинация электронов и дырок. Этот слой будет обеднён носителями обоих знаков и станет собственным полупроводником (i-слой) с относительно большим сопротивлением.

Ширина и им педанс обедненного слоя является важным параметром p-n перехода.

Переход будет происходить, как указывалось, до выравнивания изменённых уровней Ферми: .

При этом не скомпенсированные заряды создадут в контакте электрическое поле, которое будет препятствовать переходу основных носителей через переход:

Напряженность контактного поля ( или контактная разность потенциалов (высота потенциального барьера) является также важным параметром перехода.

Односторонняя проводимость p-n перехода.

Если к внешним контактам полупроводников подключить источник таким образом, что напряжённость поля источника и поля в p-n переходе направлены навстречу ( ), то высота потенциального барьера уменьшится и через переход потечёт ток:

–1)

Здесь -ток неосновных носителей. При ток растет от по экспоненте. При , ток падает до

I Последнее имеет место быть, когда подключение внешнего

источника соответствует одинаковому направлению полей:

( ), Высота барьера вырастет . Это

обратное включение перехода. Обратный ток, как правило, ал. Таким образом, p-n переход обладает односторонней

U проводимостью.

Подключим источник переменного напряжения. Его поле будет так же меняться .

U(t)

Ток через переход будет пульсирующий, но одного направления

i(t)

Чтобы не терять половину периода, создают двухполупериодные выпрямители следующего вида:

n

p

p

n

Тогда получим ток одного направления, который легко преобразовать в постоянный по величине.

i(t)

Таким образом, P-nобладает свойствами выпрямителя тока.

В вольт-амперной характеристике перехода существует довольно большой участок, где ток не меняется при изменении напряжения. Это свойство используется для создания приборов- стабилитронов.

P-n контакты п/п с разной шириной запрещённых зон называют –гетеропереходы. Особо важны для оптоэлектроники.

Пробой p-n перехода.

Резкое возрастание тока при напряжении на переходе больше критического – пробой.

Различают пробой: электрический и тепловой. Электрические могут возникать на ограниченном участке перехода вследствие резкого локального роста напряженности электрического поля:

. При малых r могу возникать большие напряжённости локального поля, способствующая генерации новых носителей. Локальные поля могут разгонять электроны, которые при ударе об узлы вызывают ударную ионизацию носителей с более низких уровней. На этом принципе работает ЛПД – лавинно-пролётный диод. Как правило электрические пробои обратимы и не приводят к выходу из строя прибора.

. Небольшие локальные нагревания п/п могут вызвать также генерацию носителей с низких уровней, но они практически не управляемы и могу привести перегреву кристалла (вплоть до расплава).

Диоды, (диод Ганна, ЛПД). Контакт металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Транзисторы: биполярные и униполярные (с управляемым p-n переходом,

МДП - транзисторы).

Полупроводниковые диоды подразделяются по многим признакам. Прежде всего следует различать точечные, плоскостные и поликристаллические диоды. По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны

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.

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.Рис. 2.

Принцип устройства точечного диода показан на рисунке 3(а). 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. Следовательно, принципиальной разницы между точечными и плоскостными диодами нет. Позже появились еще так называемые микро-плоскостные или микросплавные диоды, которые имеют несколько больший по плоскости p-n переход, чем точечные диоды(б).

Рис. 3.

Плоскостные диоды изготавливаются, главным образом, методами сплавления диффузии. Для примера на рисунке 4.а) 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.

Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур опустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.

Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА

Мощные (силовые) диоды. К данному типа относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 100 - 100 000 А и обратные напряжения до 6000 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.

На принципиальных электрических схемах полупроводниковые диоды изображаются в виде треугольника и отрезка, расположенного на одной из его вершин и находящегося параллельно противолежащей стороне.

выпрямительные, импульсные и универсальные

стабилитроны и стабисторы туннельные обращенные варикапы

Фотодиод, полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения. Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл обычно с электронно-дырочным переходом (р-n-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус.

Фотодиод

Различают 2 режима работы фотодиода: фотодиодный, когда во внешней цепи фотодиода содержится источник постоянного тока, создающий на рn-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме фотодиод, как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи фотодиода в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через рn-переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в фотодиоде в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме фотодиод, как и полупроводниковый фотоэлемент, используют в качестве генератора фотоэдс