3268 ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Лабораторная работа № 1

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕРМАНИЕВЫХ И КРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ

 

1. Цель работы

 

Исследовать характеристики и параметры силовых диодов в диапазоне температур 20-40 0С, исследовать частотную характеристику одного из диодов, измерить барьерную ёмкость и снять её зависимость от напряжения.

 

2. Теоретическая часть

 

2.1. Физика образования р-n-перехода

 

P-n-переход - переходный слой между областями полупроводника с р- и n-типом проводимости, в котором существует диффузионное электрическое поле. Этот переходный слой имеет и другие названия - область пространственного заряда (ОПЗ) и обеднённый слой.

В полупроводнике p-типа  электрическая нейтральность обеспечивается тем, что заряд основных носителей (дырок) компенсируется зарядом неподвижных отрицательных ионов примеси и зарядом неосновных носителей (электронов). В полупроводнике n-типа заряд основных носителей (электронов) компенсируется зарядом неподвижных положительных ионов примеси и зарядом неосновных носителей (дырок).

При образовании p-n-перехода вначале происходит преимущественный переход электронов из n-области в p-область, а дырок из  p-области в n-область. Переходы происходят за счет диффузии, которая стремится выровнять концентрации носителей одинакового типа в различных областях. Уходя из n-области в p-область, электрон оставляет нескомпенсированный положительный ион донорной примеси вблизи металлургической границы p-n-перехода. Перешедший в p-область электрон рекомбинирует с дыркой вблизи металлургической границы, что приводит к появлению в p-области нескомпенсированного отрицательного заряда неподвижного иона акцепторной примеси. К точно такому же результату приводит переход дырки из p-области в n-область. Таким образом, переход любого основного носителя приводит к появлению у металлургической границы перехода пары разделенных в пространстве ионов разной полярности,  нескомпенсированных подвижными носителями заряда. Образуется область, в которой возникает электрическое поле между разноименными неподвижными зарядами ионов примесей (область пространственного заряда).

Переход из p-области неосновного носителя (электрона) приводит к тому, что дырка, ранее компенсировавшая поле его заряда в p-области, теперь будет компенсировать поле неподвижного отрицательного иона вблизи металлургической границы. Электрон, перешедший в n-область, компенсирует электрическое поле положительного иона. В результате в ОПЗ исчезает пара нескомпенсированных ионов примеси разного знака. Переход неосновного носителя (дырки)  из n-области в p-область дает точно такой же результат.

Таким образом, переход через ОПЗ любого неосновного носителя  приводит к компенсации двух противоположных по знаку неподвижных зарядов в ОПЗ, что уменьшает электрическое поле, появившееся за счет переходов через ОПЗ основных носителей.

Электрическое поле в ОПЗ обусловливает появление разности потенциальных энергий подвижных носителей  заряда в p- и n- областях. Потенциальная энергия электронов в p-области будет выше, чем в n-области, так как p-область заряжается отрицательно, а n-область - положительно. Для дырок потенциальная энергия будет больше в n-области. Другими словами, между p- и n-областями возникает потенциальный барьер. Этот барьер увеличивают переходы через ОПЗ основных носителей и уменьшают переходы неосновных. Равновесное значение высоты потенциального барьера установится при равенстве встречных потоков  основных и неосновных носителей. В момент начала образования p-n-перехода поток основных носителей намного больше потока неосновных, что приводит к росту потенциального барьера. Однако электрическое поле в ОПЗ тормозит основные носители заряда и ускоряет неосновные при их движении в направлении поля. Подвижные носители имеют различную кинетическую энергию в направлении барьера вследствие распределения электронов и дырок по кинетическим энергиям. Поэтому по мере роста потенциального барьера часть основных носителей с энергией, меньшей высоты барьера, не будет его преодолевать. Поэтому поток основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер, будет уменьшаться. По мере уменьшения потока основных носителей, преодолевших барьер, рост барьера будет замедляться. Для неосновных носителей поле в ОПЗ является ускоряющим, поэтому их поток в направлении ОПЗ не меняется. Следовательно, при некоторой высоте потенциального барьера встречные потоки основных и неосновных носителей станут равными, и высота потенциального барьера перестанет изменяться. Высота установившегося потенциального барьера при отсутствии внешнего напряжения на p-n-переходе, деленная на заряд электрона, называется контактной разностью потенциалов jk. Тогда высота барьера будет ejk, где e – заряд электрона.

На рис. 1 изображены энергетическая диаграмма p- и n-областей  и функции распределения по кинетическим энергиям в потоках электронов и дырок, движущихся к p-n-переходу в момент начала его образования. Здесь Ex - составляющая кинетической энергии носителя заряда в направлении p-n-перехода. Для электронов ось энергий направлена вверх, а для дырок - вниз.  Функция dnnn/dEx описывает распределение электронов в потоке по кинетическим энергиям в n-области, dnnp/dEx - распределение электронов по энергиям в потоке в p-области, dnpp/dEx -  распределение дырок по энергиям в потоке в p-области, dnpn/dEx - распределение дырок по энергиям в потоке в n-области. Площади под кривыми функций распределения равны соответствующим потокам электронов (nnn - поток электронов из n-области, nnp - поток электронов из p-области) и дырок (npp - поток дырок из p-области, npn - поток дырок из n-области), падающих на барьер. Ec - энергия дна зоны проводимости, Ev - энергия потолка валентной зоны. Efn и Efp - уровни Ферми в полупроводниках n- и p- типов соответственно. Из рис. 1 видно, что в  момент начала образования p-n-перехода потенциальный барьер отсутствует и потоки основных носителей, проходящих металлургическую границу, намного больше встречных потоков неосновных носителей.

На рис. 2 изображены энергетическая диаграмма p-n-перехода и функции распределения по кинетическим энергиям в потоках электронов и дырок после выравнивания встречных потоков носителей одного типа. Из рисунка видно, что уровень Ферми в p- и n- областях занимает одинаковое положение. Это объясняется тем, что вследствие переходов носителей при объединении p- и n- областей работа по удалению электрона в вакуум из образовавшейся структуры становится одинаковой для p- и n- областей. Действительно, p-область заряжается отрицательно и поэтому работа по удалению электрона из неё в вакуум уменьшается. А n-область заряжается положительно и работа по удалению электрона из неё в вакуум увеличивается. Равенство встречных потоков электронов из n- и p- областей выражается в равенстве площадей под кривой функции распределения в p-области и части площади, лежащей выше линии еjк (штрих-пунктирная линия) на функции распределения в n-области. Равенство встречных потоков дырок из p- и n- областей выражается в равенстве площадей под кривой функции распределения в n-области и части площади, лежащей ниже линии еjк (штрих-пунктирная линия) на функции распределения в p-области.

Для анализа зависимости контактной разности потенциалов в p-n-переходе от ширины запрещенной зоны материала, концентрации примесей и температуры достаточно рассмотреть условие равенства встречных потоков носителей одного типа, например электронов, поскольку концентрации основных и неосновных носителей при тепловом равновесии однозначно связаны.

Рассмотрим зависимость контактной разности потенциалов от ширины запрещенной зоны полупроводника, из которого выполнен p-n-переход. Будем сравнивать переходы с одинаковым уровнем легирования p- и n- областей при одной и той же температуре. Потоки электронов из n-областей к металлургической границе в момент образования p-n-перехода будут одинаковыми в полупроводниках с различной шириной запрещенной зоны, так как их величина определяется концентрацией электронов (определяется концентрацией примесей, которая должна быть одинаковой для сравниваемых полупроводников) и температурой. Однако встречные потоки электронов из p-областей существенно различны. Так как концентрация электронов в p-области полупроводника с большей шириной запрещенной зоны меньше, то и поток электронов будет меньше. Следовательно, равенство встречных потоков электронов при большей ширине запрещенной зоны установится при большей высоте потенциального барьера. Поэтому контактная разность потенциалов в p-n-переходе тем больше, чем шире запрещенная зона.

При одинаковой ширине запрещенной зоны контактная разность потенциалов растет с увеличением уровня легирования. Повышение уровня легирования n-области приводит к увеличению потока электронов к металлургической границе из n-области, так как увеличивается концентрация электронов. Это ведет к увеличению контактной разности потенциалов, поскольку поток электронов из p-области постоянен, если в ней не меняется уровень легирования. Если одновременно увеличивать уровень легирования в p-области, то это приведет к уменьшению потока электронов из неё и, следовательно, к еще большему росту контактной разности потенциалов.

Повышение температуры приводит к одинаковому повышению скоростей электронов во встречных потоках. По этой причине потоки увеличиваются в одинаковое число раз. Концентрация электронов как неосновных носителей в p-области увеличивается экспоненциально, а в n-области концентрация практически не меняется, так как определяется концентрацией примеси. Поэтому с ростом температуры поток электронов из p-области увеличивается в большей степени. Равенство встречных потоков электронов по этой причине нарушается и устанавливается вновь при меньшей высоте потенциального барьера. Следовательно, с ростом температуры контактная разность потенциалов уменьшается. Величина контактной разности потенциалов составляет 0,35 – 0,6 В для германия, 0,8 – 1,2 В для кремния и 1,15 – 1,5 В для арсенида галлия [3].

Таким образом, контактная разность потенциалов в p-n-переходе увеличивается  с ростом ширины запрещенной зоны и концентрации основных носителей (легирующей примеси) и уменьшается с ростом температуры.

 

2.2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

на основе p-n-перехода

 

Полупроводниковый диод на основе p-n-перехода содержит ОПЗ, области p- и n-типа за пределами ОПЗ, называемые p-базой и n-базой соответственно, и металлические выводы. Его вольт-амперная характеристика зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, концентрации легирующих примесей, температуры, уровня инжекции носителей в базы и ширины базовых областей.  Характеристика несимметричная. Различают прямую (внешнее напряжение приложено плюсом к p-области и минусом к n-области) и обратную (внешнее напряжение приложено минусом к p-области и плюсом к n-области) ветви вольт-амперной характеристики. Рассмотрим идеализированную вольт-амперную характеристику для диода с плоским и резким p-n-переходом и широкой базой (ширина базы много больше диффузионной длины). Идеализация состоит в том, что в объяснении вида вольт-амперной характеристики учитывается только нарушение равенства потоков при приложении внешнего напряжения.

При отсутствии напряжения на диоде потоки основных носителей, преодолевших потенциальный барьер, и встречные им потоки неосновных носителей равны. Поэтому результирующий поток n и, следовательно, ток I = en равны нулю.

При приложении прямого напряжения U происходит уменьшение высоты потенциального барьера до величины e(jк – U), так как полярность прямого напряжения противоположна контактной разности потенциалов и предполагается, что все напряжение прикладывается к ОПЗ. Потоки основных носителей, преодолевших барьер, становятся больше потоков неосновных носителей (nnn>nnp, а npp >npn). К потоку основных носителей, преодолевавших барьер при отсутствии напряжения, добавляется поток носителей с энергией в диапазоне от e(jк – U) до ejк. До подачи прямого напряжения эти носители не могли преодолеть потенциальный барьер, а теперь преодолевают пониженный барьер. Поле в ОПЗ, хотя и уменьшается по величине, для неосновных носителей остается ускоряющим, поэтому их потоки не изменяются. Результирующий поток и, следовательно, прямой ток, определяемый разницей потоков основных и неосновных носителей, становятся отличными от нуля. При увеличении прямого напряжения до величины, когда постоянным потоком неосновных носителей можно пренебречь (U>3kT/e, что при 300 К составляет 0,072 В), прямой ток увеличивается по экспоненциальному закону. Это объясняется тем, что распределение носителей в потоке по кинетическим энергиям подчиняется экспоненциальному закону. Число носителей, преодолевающих барьер, экспоненциально растет с понижением высоты барьера.

В зависимости от площадей p-n-переходов в диодах величины прямых токов могут быть в пределах от единиц миллиампер до сотен ампер. В токе имеются электронная и дырочная компоненты, обусловленные инжекцией электронов в p-область и дырок в n-область. Как правило, одна из областей кристалла (для кремниевых диодов это p-область) имеет концентрацию легирующих примесей на несколько порядков больше. Поэтому в прямом токе преобладает инжекция носителей в слаболегированную область (эту область называют базой диода). При широкой базе инжектированные носители рекомбинируют в объеме базы, не достигая электродов. Инжекция неосновных носителей в базу приводит к появлению в базе электрического поля, которое вызывает перемещение основных носителей в базе. Следовательно, в базе текут диффузионный ток неосновных носителей и дрейфовый ток основных. Если база имеет размер меньше диффузионной длины, то инжектированные носители рекомбинируют в основном на металлическом вводе диода и в базе в установившемся режиме протекает только диффузионная компонента тока.

При приложении обратного напряжения (диапазон от нуля до сотен вольт) высота потенциального барьера увеличивается (рис.3), так как полярность обратного напряжения совпадает с контактной разностью потенциалов (знак обратного напряжения отрицателен). При этом потоки неосновных носителей не изменяются, так как поле в ОПЗ остается для них ускоряющим. Потоки основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер, экспоненциально убывают с ростом высоты барьера. При обратном напряжении, большем по абсолютной величине 3кT/e (0.072 В при Т = 300 К), поток основных носителей почти в 10 раз меньше потока неосновных и им можно пренебречь. Поэтому результирующий поток будут определять потоки неосновных носителей. Результирующий поток и, следовательно, ток меняют направление на противоположное. Потоки неосновных носителей не зависят от величины обратного напряжения. Поэтому, когда можно пренебречь потоками основных носителей, преодолевших барьер (при обратном напряжении, большем 0,072 В), обратный ток определяется только потоками неосновных носителей и поэтому не зависит от обратного напряжения.

Величины обратных токов диодов зависят от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала, степени легирования, площади p-n-перехода и температуры и находятся в пределах от долей наноампера до сотен микроампер.

Как отмечалось ранее, при одинаковой степени легирования p- и n-областей контактная разность потенциалов p-n-перехода больше в полупроводнике с большей запрещенной зоной. Рассмотрим график функции распределения в потоке основных носителей, например электронов, который будет одинаков для полупроводников с различной шириной запрещенной зоны при одинаковом уровне легирования, например, кремния и германия (рис. 4). Пунктиром отмечена высота потенциального барьера для кремния ejкSi и для германия ejкGe при отсутствии напряжения на диодах. При приложении к обоим диодам одного и того же  прямого напряжения U потенциальный барьер уменьшится на величину этого напряжения. При этом результирующий поток электронов, равный заштрихованной площади под кривой, для кремния (1) окажется меньше, чем для германия (2). Это связано с тем, что носителей с меньшими энергиями, как следует из вида функции распределения, в потоке всегда больше. Аналогично можно показать, что и результирующий поток дырок в диоде с меньшей шириной запрещенной зоны будет больше. Следовательно, при одинаковом прямом смещении ток в диоде с меньшей шириной запрещенной зоны будет больше. Поэтому прямая ветвь вольт-амперной характеристики в диодах с меньшей шириной запрещенной зоны идет выше.



 
информационная открытость закупки. краях Жигулевское Среднерослый