Krzysztof Jasiński grupa E.D.3.1.

Złącze p-n. Diody.

Ze względu na właściwości elektryczne materiały stosowane w elektronice dzieli się na: przewodniki, izolatory i półprzewodniki. Przewodniki mają małą rezystywność (ρ=10^-8 Ωm ... 10^-7 Ωm), izolatory z kolei bardzo dużą (ρ=10⁸ Ωm ... 10¹⁸ Ωm), natomiast półprzewodniki charakteryzują się rezystywnością rzędu 10^-7 ... 10^-3 Ωm. Dobry przewodnikami są metale. Natomiast elementy i układy półprzewodnikowe wykonuje się najczęściej z germanu i krzemu.

W odosobnionym atomie elektrony mogą się znajdować (na orbitach) w ściśle określonych stanach energetycznych, a przyjmowanie określonych stanów może odbywać się w sposób dyskretny. W ciele stałym, na skutek wzajemnej bliskości położenia atomów w sieci krystalicznej i ich wzajemnego oddziaływania, elektrony nie mają już możliwości wykonywania niezakłóconego ruchu wokół jądra. W następstwie tego oddziaływania dozwolone poziomy energetyczne ulegają w ciele stałym przesunięciu. Jest to jednoznaczne z rozczepieniem rozłożonych w sposób dyskretny poziomów poszczególnych atomów. Poprzesuwane poziomy tworzą pasma energetyczne, a elektrony znajdujące się na określonej orbicie mogą teraz przyjmować każdą wartość energii mieszczącej się wewnątrz pasma. Pasma takie nazywa się pasmami dozwolonymi. Występuje przy tym ograniczenie polegające na tym, że pojedyncze poziomy w paśmie mogą być obsadzone przez co najwyżej dwa elektrony. Podobnie jak w pojedynczym atomie, istnieją takie wartości energii, których nie może przyjmować żaden elektron. Te poziomy energetyczne, leżące między pasmami dozwolonymi, tworzą pasmo zabronione.

Rys. 1.

W temperaturze zera bezwzględnego najwyższą energię mają elektrony walencyjne. Pasmo odpowiadające temu stanowi energetycznemu nosi nazwę pasma walencyjnego lub podstawowego i jest najniżej położonym pasmem energetycznym. Powyżej tego pasma jest usytuowane pasmo przewodnictwa, znajdują się w nim elektrony swobodne wyrwane z sieci krystalicznej. Odstęp między tymi pasmami nosi nazwę pasma zabronionego i oznacza się przez W_g. Wartość W_g określa minimalną wartość energii, która musi być dostarczona elektronom, aby zostały one wyrwane z wiązań atomowych sieci krystalicznej. Jest ona równa energii jonizacji atomu znajdującego się w sieci krystalicznej. Szerokość przerwy zabronionej W_g mierzy się, podobnie jak i energię elektronów, w elektronowoltach (eV).

Półprzewodniki niedomieszkowane (samoistnie).

W półprzewodnikach już w temperaturze rzędu 300 K pewna część elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa, pozostawiając miejsca nieobsadzone w paśmie podstawowym. Miejsca te, odpowiadające brakowi elektronów (ładunków ujemnych), mogą być zajmowane przez elektrony usytuowane na niższych poziomach w tym paśmie (po otrzymaniu z zewnątrz odpowiedniej energii). Proces pojawienia się elektronów w paśmie przewodnictwa i wolnych miejsc (dziur) w paśmie podstawowym pod wpływem wzrostu temperatury nosi nazwę generacji termicznej par dziura-elektron.

Liczbę nośników ładunków określa się za pomocą gęstości lub koncentracji (tj. liczby nośników w jednostce objętości). Koncentrację elektronów w paśmie przewodnictwa oznacza się przez n_i, natomiast koncentrację dziur w paśmie podstawowym przez p_i.

Jednocześnie ze zjawiskiem generacji termicznej par nośników występuje proces odwrotny - „wyłapywania” elektronów przez dziury, nazywany rekombinacją. Obydwa te procesy w stanie równowagi termicznej, statystycznie biorąc mają zrównoważone szybkości. Oznacz to, że koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa (n_i) jest równa koncentracji dziur w paśmie podstawowym (p_i). Iloczyn tych koncentracji jest wykładniczą funkcją temperatury (T) i szerokości pasma zabronionego (W_g)

przy czym:

A - współ. proporcjonalności,

k - stała Boltzmana,

e - podstawa logarytmu naturalnego.

Półprzewodniki domieszkowane (niesamoistne).

W omawianych dotychczas półprzewodnikach zakładano istnienie doskonale regularnej struktury. W rzeczywistości w sieci krystalicznej mogą występować defekty w postaci atomów międzywęzłowych (zanieczyszczenia), luk (braku atomów w poszczególnych węzłach sieci), domieszek (atom innego pierwiastka zastępuje atomy pierwiastka podstawowego w węzłach sieci), jak również różne formy dyslokacji, np. przesunięcie całych grup atomów względem siebie.

Jeśli na skutek nieregularności sieci krystalicznej w półprzewodniku będą przeważać nośniki typu dziurowego - to półprzewodnik taki jest nazywany półprzewodnikiem typu p (niedomiarowy). W przypadku, gdy przeważają nośniki elektronowe, jest nazywany półprzewodnikiem typu n (nadmiarowy).

Nieregularniości w sieci krystalicznej półprzewodnika wynikające z niedoskonałości procesu technologicznego noszą nazwę zanieczyszczeń, te zaś które są wprowadzone celowo - nazywa się domieszkami.

Półprzewodnik typu n uzyskuje się przez dodanie w procesie wzrostu kryształu krzemu domieszki pierwiastka pięciowartościowego, (np. antymonu, arsenu, fosforu). Niektóre atomy krzemu zostaną zastąpione w sieci krystalicznej atomami domieszki, zwanymi donorami. Piąte elektrony walencyjne tych atomów nie biorą udziału w wiązaniach kowalencyjnych i są słabo związane z jądrem, dlatego potrzeba niewielkiej energii do zerwania tego wiązania.

W pasmowym modelu energetycznym odpowiada to powstaniu poziomu energetycznego donorowego (rys. 2).

Wskutek małej różnicy energii poziomu donorowego względem pasma przewodnictwa (około 0,05eV w krzemie) elektrony z tego poziomu będą przechodziły do pasma przewodnictwa. Już w temperaturze pokojowej prawie wszystkie atomy domieszkowe są zjonizowane. Oznacza to, że na poziomach donorowych nie na elektronów, wszystkie przeszły do pasma przewodnictwa. Liczba elektronów w paśmie przewodnictwa jest znacznie większa niż dziur w paśmie podstawowym. Dlatego pierwsze noszą nazwę nośników większościowych, drugie zaś - mniejszościowych.

Rys. 2. Rys. 3.

Półprzewodnik typu p uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastków trójwartościowych (np. glinu, indu, galu). Obecność tylko trzech elektronów walencyjnych w atomach domieszkowych powoduje zdekompletowanie jednego z wiązań kowalentnych w sieci krystalicznej (rys. 3). Brak elektronu w tym wiązaniu zostaje uzupełniony przez pobranie z jednego z sąsiednich wiązań, w którym powstaje dziura. Atom pierwiastka trójwartościowego, zwanego akceptorem, po uzupełnieniu w „nieprawidłowym” wiązaniu (na skutek niedostatku ładunków dodatnich w jądrze) staje się jonem ujemnym, wywołując lokalną polaryzację kryształu. W modelu energetycznym pasmowym puste miejsca w sieci krystalicznej, nie zapełnione przez elektrony, odpowiadają nieobsadzonym poziomom dozwolonym dodatkowym, leżącym w pobliżu pasma podstawowego.

Noszą one nazwę poziomów akceptorowych. W temperaturze pokojowej wszystkie poziomy akceptorowe są zapełnione elektronami, które przeszły tu z pasma podstawowego. Na skutek tego liczba dziur w paśmie podstawowym jest wielokrotnie większa niż elektronów w paśmie przewodnictwa. W półprzewodniku typu p dziury w paśmie podstawowym są nośnikami większościowymi, a elektrony w paśmie przewodnictwa - nośnikami mniejszościowymi.

Przepływ prądu w półprzewodniku domieszkowanym.

Prąd w półprzewodniku stanowią ruchome nośniki ładunków - elektrony. Półprzewodnik domieszkowany ma zjonizowane poziomy domieszkowe (zajęte przez elektrony w półprzewodniku typu p i opuszczone w półprzewodniku typu n), zawiera także dodatkowe elektrony w paśmie przewodnictwa pochodzące z pasma podstawowego i dziury w tym ostatnim paśmie. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (o natężeniu E) w jedną stronę poruszają się elektrony (w paśmie przewodnictwa); w drugą zaś dziury (w paśmie podstawowym). Nośniki poruszające się w półprzewodniku pod wpływem pola elektrycznego oddziałującego na elektrony z siłą F=qE (gdzie q - ładunek elektronu) napotykają na opory wewnątrz sieci krystalicznej, zderzają się z jej węzłami - oddając część energii pobranej z pola. Średnia prędkość v nośników jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego E

v=μE

Współczynnikiem proporcjonalności jest współczynnik μ nazywany ruchliwością. Prąd nośników jest proporcjonalny do przepływającego ładunku i prędkości nośników:

- prąd elektronowy I_n=qμ_nnES

- prąd dziurowy I_p=qμ_ppES

n, p - koncentracja elektronów i dziur,

μ_n, μ_p - ruchliwość elektronów i dziur,

S - powierzchnia, przez którą przepływa prąd,

q - ładunek elektronu,

e - natężenie pola elektrycznego.

Ruchliwość μ_n i μ_p nie mają wartości stałych, lecz zależą od koncentracji domieszek i od temperatury. Przy wzroście obydwu tych wielkości ruchliwość maleje.

Prąd elektronowy i dziurowy noszą nazwę prądów unoszenia.

Oprócz prądu unoszenia, w półprzewodniku może występować prąd dyfuzyjny. Ma on miejsce, gdy w półprzewodniku występuje niejednorodny rozkład nośników nadmiarowych (np. wskutek lokalnego oświetlenia). Występuje wówczas dyfuzyjny ruch nośników z obszarów o większej koncentracji do obszarów o mniejszej koncentracji. Prądy dyfuzyjne elektronowy i dziurowy są proporcjonalne nachylenia rozkładu koncentracji nośników, zgodnie z zależnościami

w których:

D_n, D_p - współ. Dyfuzji elektronów i dziur.

gradienty rozkładów koncentracji elektronów i dziur,

S - powierzchnia, przez którą przepływa prąd.

Właściwości złączy, p - n.

Złącze p-n stanowi warstwę przejściową między obszarem półprzewodnika typu p i półprzewodnika typu n. Domieszka akceptorowa w obszarze typu p sprawia, że koncentracja dziur w tym obszarze jest większa niż elektronów. Natomiast domieszka donorowa w obszarze typu n prowadzi do przewagi elektronów w tym obszarze. Dziury w obszarze p i elektrony w obszarze n stanowią nośniki większościowe. Przed zetknięciem każdy z obszarów jest elektrycznie obojętny, ponieważ ładunek dziur i elektronów zostaje skompensowany ładunkiem jonów domieszek umieszczonych w węzłach siatki krystalicznej.

Po „zetknięciu” dwóch obszarów p i n w pobliżu płaszczyzny złącza istnieją gradienty koncentracji dziur i elektronów. Różnica koncentracji nośników ładunku powoduje ich przemieszczenie - dyfuzję. Elektrony z obszaru przyzłączowego n dyfundują do obszaru p; podobnie dziury z obszaru przyzłączowego p przechodzą do obszaru n. Prądy dyfuzyjne I_pd dziur i I_nd są proporcjonalne do gradientu koncentracji domieszek.

Nośniki przechodzące do przeciwnych obszarów stają się nadmiarowymi nośnikami mniejszościowymi w tych obszarah. Rekombinują one z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. W wyniku tego w obszarze n powstaje nadmiar ładunku jonów dodatnich, a w obszarze p ładunku jonów ujemnych. Są to ładunki jonów nieruchomych, ulokowanych w węzłach sieci krystalicznej. W obszarach przyzłączowyh powstaje, więc podwójna warstwa nieskompensowanych ładunków. Nazywa się ona obszarem ładunku przestrzennego, warstwą zaporową lub obszarem zubożonym (rys. 4b), gdzie nie ma praktycznie nośników większościowych.

Po utworzeniu warstwy zaporowej przepływ nośników większościowych zostaje zahamowany. Ładunek przestrzenny dodatni po stronie n hamuje przepływ dziur z obszaru p do n, natomiast ładunek przestrzenny ujemny po stronie p hamuje przepływ elektronów z obszaru n do p. tworzy się pole elektryczne reprezentowane przez barierę potencjału. Wysokość bariery, a więc różnica potencjałów, nazywa się napięciem dyfuzyjnym U_D

q- ładunek elektronu; k- stała Boltzmana; T- temperatura; N_a- koncentracja akceptorów; N_d- koncentracja donorów; n_i- koncentracja samoistna półprzewodnika.

Pole elektryczne wytworzone przez ładunek przestrzenny sprzyja natomiast przepływowi nośników mniejszościowych. Nośniki mniejszościowe powstają w wyniku generacji termicznej. Niektóre z nich dyfundują ku krawędziom warstwy zaporowej i „przechodzą” na drugą stronę. Oprócz prądów dyfuzyjnych nośników większościowych przez złącze płyną prądy unoszenia I_pu i I_nu nośników mniejszościowych. Kierunki tych prądów są przeciwne do kierunku prądów dyfuzyjnych (rys. 4a). Stan równowagi złącza występuje wtedy, gdy liczba unoszonych nośników mniejszościowych jest równa liczbie dyfundujących nośników większościowych, a więc

I_pd+I_pu=0 i I_nd+I_nu=0

Powstaniu ładunku przestrzennego w modelu pasmowym złącza (rys. 4d) odpowiada przesunięcie położenia pasm energetycznych. Różnica energii jest proporcjonalna do napięcia dyfuzyjnego. Poziom Fermiego dla obu części półprzewodnika ma natomiast położenie jednakowe.

Szerokość warstwy zaporowej d (rys. 4a) zależy od koncentracji domieszek po obu stronach i napięcia dyfuzyjnego.

Doprowadzenie z zewnątrz napięcia do złącza zakłóca stan równowagi elektrycznej. Dla większości złączy można przyjąć, że całe przyłożone napięcie przypada na obszar ładunku przestrzennego. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, tzn. tak, że do obszaru p jest dołączony biegun dodatni źródła zasilania, a do obszaru n - ujemny, zmniejsza się bariera potencjału do wartości U_D-U (U- napięcie zewnętrzne), maleje szerokość warstwy zaporowej, maleją ładunki i szerokość pola elektrycznego. Zmniejszenie bariery potencjału powoduje wzrost prądu dyfuzyjnego, tj. wzrost liczby dziur przechodzących z obszaru p do obszaru n i elektronów przechodzących z obszaru n do obszaru p. te dodatkowe nośniki są nazywane wstrzykniętymi, nadmiarowymi nośnikami mniejszościowymi Δp i Δn. W chwili wprowadzenia przyciągają one nośniki o przeciwnym znaku - większościowe w danym obszarze. Koncentracja nadmiarowych Δp i Δn zmniejsza się wykładniczo w miarę oddalania się od warstwy w wyniku rekombinacji z nośnikami większościowymi. Wskutek niejednakowej koncentracji, wstrzyknięte nośniki mniejszościowe dyfundują do obszarów o mniejszej koncentracji, a więc w kierunku doprowadzeń. Jednocześnie od strony doprowadzeń napływają nowe nośniki większościowe, wprowadzone dzięki polaryzacji złącza, zapewniające neutralizację ładunku wprowadzanego do poszczególnych obszarów. Prądy unoszenia I_pu i I_nu pozostają przy tym praktycznie niezmienione. W wyniku zwiększenia składowej dyfuzyjnej prądu, w obwodzie zewnętrznym płynie prąd

Przy odwrotnej polaryzacji złącza, zwanej polaryzacją wsteczną, napięcie zewnętrzne ma kierunek zgodny z kierunkiem napięcia U_D. Następuje, więc dalszy odpływ swobodnych nośników z obszaru otaczającego warstwę zaporową. Zwiększa się jej szerokość i rośnie bariera potencjału. Zwiększenie bariery potencjału powoduje zmniejszenie dyfuzji nośników, czyli zmniejszenie koncentracji nośników wprowadzonych na drugą stronę. Bariera ta nie stanowi „przeszkody” dla przepływu prądu unoszenia - prądu wstecznego. Jest on jednak niewielki (10^-6 - 10^-12) A i bardzo nieznacznie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury złącza i technologii jego wytwarzania. Charakterystyka prądowo - napięciowa złącza ma, więc postać jak na rys.

Przy polaryzacji złącza w kierunku wstecznym, jeżeli obszar ładunku przestrzennego jest szeroki, nośniki ładunku przechodzące przez ten obszar nabierają dużej energii. Przy odpowiednio dużej wartości napięcia wstecznego poruszające się nośniki zderzają się z węzłami siatki krystalicznej. W zderzenia energia zostaje przekazana elektronom znajdującym się w węzłach siatki krystalicznej. Elektrony te przechodzą do pasma przewodnictwa, pozostawiając dziury w paśmie walencyjnym. Nośniki te są znowu przyspieszane i mogą wygenerować dalsze. Proces nabiera charakteru lawinowego. Na zaciskach zewnętrznych złącza objawia się to gwałtownym zwiększeniem prądu, wskutek przepływu prądu jonizacji lawinowej.

W złączach silnie domieszkowanych, gdzie obszary przestrzennego są wąskie, przy polaryzacji w kierunku wstecznym górna krawędź pasma walencyjnego obszaru p leży powyżej dolnej krawędzi pasma przewodnictwa obszaru n. Elektrony z pasma walencyjnego mogą wtedy przejść do pasma przewodzenia bez zmiany energii, ale po przekroczeniu pasma zabronionego. Przejścia takie nazywane przejściami tunelowymi, a prąd - prądem Zenera. Napięcie, przy którym występuje gwałtowny wzrost prądu, nazywa się napięciem Zenera.

Zarówno przebicie Zenera, jak i przebicie lawinowe są zjawiskami w pełni odwracalnymi, o ile temperatura złącz nie przekroczy wartości dopuszczalnej.

Dioda Zenera.

Diody stabilizacyjne zwane diodami Zenera, stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach amplitudy, w układach źródeł napięć odniesienia. Półprzewodnik, z którego jest wykonana jest silnie domieszkowany, co prowadzi do cienkiego złącza. Wykorzystuje się ich pracę na odcinku charakterystyki prądowo napięciowej w zakresie przebicia. Wskutek przebicia Zenera lub przebicia lawinowego następuje szybki wzrost prądu przy prawie niezmiennym napięciu. Dużym zmianom napięcia wejściowego odpowiadają małe zmiany napięcia wyjściowego.

P_totmax - maksymalna moc, jaka się może wydzielić na diodzie bez jej uszkodzenia (moc admisyjna).

Współczynnik stabilizacji wyraża stosunek względnych zmian prądu płynącego przez diodę do wywoływanych przez nie względnych zmian spadku napięcia na diodzie
.

Rezystancja dynamiczna
- można ją wyznaczyć z nachylenia charakterystyki statycznej I=f(U). Rezystancja dynamiczna zależy od wartości napięcia stabilizacji i od prądu stabilizacji. Wynosi ona od kilku do kilkudziesięciu omów. Minimalną rezystancję dynamiczną mają diody o napięciu stabilizacji U_z równym od 6 do 8V.

Dioda tunelowa (Esaki'ego).

Wytwarzana z materiałów jeszcze silniej domieszkowanych niż dioda Zenera. Zjawisko Zenera powstaje już przy bardzo niskich napięciach.

Diody tunelowe stosuje się m.in. w przełącznikach we wzmacniaczach o małych szumach i w generatorach mikrofalowych, które wykorzystują ujemną rezystancję diody (rys. 7). Działanie tych diod jest oparte na zjawisku tunelowym. Przy bardzo małych wartościach napięć w kierunku przewodzenia (od ok. 50 mV do ok. 350mV), prąd zaczyna wzrastać szybciej niż w zwykłej diodzie. Przy wzroście napięcia do punktu A, prąd zaczyna maleć aż osiągnie punkt B. W tym zakresie dioda wykazuje rezystancję ujemną. Dalszy wzrost napięcia powoduje wzrost prądu; charakterystyka diody tunelowej pokrywa się z charakterystyką zwykłej diody.

Diody impulsowe.

Diody impulsowe są przeznaczone do przełączania napięć i prądów oraz do formowania impulsów elektrycznych. W układach spełniają one najczęściej funkcję tzw. Kluczy, czyli przełączników. Z uwagi na takie zastosowanie diody impulsowe powinny charakteryzować się małą rezystancją w kierunku przewodzenia i dużą rezystancją w kierunku wstecznym oraz małą bezwładnością elektryczną przy przełączaniu.

Właściwości diod impulsowych określają dwie grupy parametrów technicznych:

1. parametry określające dopuszczalne wartości napięć i prądów (parametry statyczne),

2. parametry określające opóźnienia w działaniu diody i określające zniekształcenia impulsów elektrycznych przenoszonych przez diodę (parametry dynamiczne).

Podstawowymi parametrami dynamicznymi są:

• czas przełączania diody t_r,

• pojemność diody przy polaryzacji zaporowej C_r.

W grupie diod przełączających wyróżniamy diody ostrzowe i diody Schottky'ego.

1

---