ZŁĄCZE P-N, DIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA

Dioda półprzewodnikowa to dwukońcówkowy element półprzewodnikowy. Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych - typu n i typu p, tworzących razem złącze p-n, lub z połączenia półprzewodnika z odpowiednim metalem - dioda Schottky'ego. Końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p - anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu - od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).

Podstawową cechą diod półprzewodnikowych jest prostowanie (tj. umożliwianie przepływu prądu tylko w jedną stronę) prądu przemiennego, jednak ich gama zastosowań jest o wiele szersza, w związku z tym rozróżniamy następujące rodzaje diod:

• dioda prostownicza - jej podstawową funkcją jest prostowanie prądu przemiennego

• stabilizacyjne (diody Zenera) - stosowana w układach stabilizacji napięcia i prądu

• tunelowe - dioda o specjalnej konstrukcji, z odcinkiem charakterystyki o ujemnej rezystancji dynamicznej

• pojemnościowe (warikap) - o pojemności zależnej od przyłożonego napięcia

• dioda elektroluminescencyjna (LED) - dioda świecąca w paśmie widzialnym lub podczerwonym

• laserowe

• mikrofalowe (np. Gunna)

• detekcyjne - niewielkiej mocy, używane w układach modulacji AM

• fotodioda - dioda reagująca na promieniowanie świetlne (widzialne, podczerwone lub ultrafioletowe).

Dioda półprzewodnikowa to rzeczywiste złącze p-n. Złączem p-n nazywamy warstwę rozgraniczającą półprzewodnik typu „p” od półprzewodnika typu „n”. W półprzewodniku typu „n” jest większa koncentracja elektronów (nośniki większościowe), a w półprzewodniku typu „p” większa koncentracja dziur. Rozpatrzmy przebiegi fizyczne w złączu p-n.

Po zetknięciu półprzewodników typu „n” i „p” obserwujemy procesy dążące do wyrów­nania koncentracji swobodnych nośników ładunku w obu obszarach półprzewodnika. Elektrony dyfundują z obszaru „n” do „p”, a dziury z obszaru „p” do „n”. W wyniku tego pro­cesu w pobliżu granicy złącza zanikają swobodne nośniki ładunku, a pozostają jedynie nieru­chome jony domieszek w węzłach sieci krystalicznej półprzewodnika. Po obu stronach granicy złącza pojawiają się ładunki o różnych znakach. W półprzewodniku typu „n” pojawia się ładu­nek przestrzenny dodatni - tworzą go dodatnie jony domieszki donorowej. W pół­przewodniku typu „p” powstaje ujemny ładunek przestrzenny - tworzą go ujemne jony domieszki akceptorowej.

Rozkład ładunku przestrzennego w obszarze złącza pokazany jest na rys.1. Wskutek istnienia ładunków elektrycznych na złączu p-n powstaje statyczna różnica potencjałów, nazy­wana „barierą potencjału”. Potencjał obszaru „n” jest wyższy od potencjału obszaru „p” (rys.1c). W następstwie tego średnia energia elektronów w obszarze „n” obniża się, a w obsza­rze „p” podwyższa się - doprowadza to do wyrównania poziomów Fermiego w obu obszarach. Model pasmowy złącza p-n pokazany jest na rys.1e. Powstałe w obszarze złącza pole elek­tryczne ma zwrot od „n” do „p” (rys.1d). Pole to przeciwdziała dyfuzji nośników większo­ściowych, natomiast sprzyja przepływowi nośników mniejszościowych w kierunku przeciwnym do ruchu dyfuzyjnego nośników większościowych. W stanie równowagi termicznej przez złącze p-n płyną dwa prądy: prąd dyfuzyjny - J_D oraz prąd wsteczny - J_W. Prąd dyfuzyjny J_D utworzony jest przez ruch nośników większościowych: elektronów z „n” do „p” i dziur z „p” do „n”. Prąd wsteczny - J_W , to ruch nośników mniejszościowych: dziur z „n” do „p”, elektro­nów z „p” do „n”. W stanie równowagi termicznej natężenie tych prądów są sobie równe.

Obszar złącza p-n jest pozbawiony swobodnych nośników ładunku, ma zwiększoną oporność i nazywany jest warstwą zaporową. Szerokość tej warstwy jest rzędu jednego mikrometra. Doprowadzenie do złącza p-n zewnętrznego napięcia wywołuje zmianę: szerokości warstwy zaporowej, wysokości bariery potencjału, natężenia pola elektrycznego oraz natężenia prądu dyfuzyjnego J_D.

Jeżeli do obszaru „n” zostanie podłączony dodatni biegun źródła SEM, a do obszaru „p” - ujemny, to wówczas zewnętrzne pole elektryczne E ma zwrot zgodny z polem E₀ wytwo­rzonym przez ładunek przestrzenny złącza (rys.2d. Swobodne nośniki większościowe, pod działaniem sił pola elektrycznego, odpływają z obszaru otaczającego warstwę zaporową - wzrasta jej szerokość (rys.2ab), zwiększa się tym samym opór wewnętrzny złącza. Mówimy, że złącze p-n zostało spolaryzowane w kierunku zaporowym. Bariera potencjałów tak spolary­zowanego złącza zostaje zwiększona o U – napięcie zewnętrzne i jest równa sumie napięć U+U₀ (rys.2c). Zwiększone pole elektryczne w warstwie zaporowej przeciwdziała prądowi dyfuzyjnemu J_D, prąd ten maleje (rys.2e) i przy napięciu zewnętrznym rzędu dziesiątych części wolta zupełnie zanika. Pole to natomiast sprzyja przepływowi prądu wstecznego - natężenie jego jest niewielkie (10^-6 - 10^-7A) i nieznacznie zależy od przyłożonego napięcia. Prąd J_W zależy od temperatury złącza, tzn. od koncentracji nośników mniejszościowych.

Jeżeli do obszaru „n” zostanie podłączony ujemny biegun źródła SEM, a do „p” dodatni, wówczas mówimy, że złącze p-n zostało spolaryzowane w kierunku przewodzenia.

Zewnętrzne pole elektryczne E ma zwrot przeciwny do pola E₀, wytworzonego przez ładunek przestrzenny złącza niespolaryzowanego. W wyniku tego zmniejsza się wypadkowe pole elek­tryczne w obszarze złącza (rys.3d), zmniejsza się szerokość warstwy zaporowej (rys.3ab) oraz opór złącza. Bariera potencjału zostaje zmniejszona o U - napięcie zewnętrzne, przyłożo ne do złącza i jest równa U₀ - U (rys.3c). W wyniku zmniejszenia spadku napięcia na warstwie zaporowej, maleje natężenie pola elektrycznego ograniczającego dyfuzję nośników większo­ściowych Im bardziej wzrasta napięcie zewnętrzne, tym bardziej zmniejsza się bariera poten­cjału - tym samym wzrasta dyfuzja, a z nią prąd płynący przez złącze w kierunku przewodzenia (rys.3e).

Opór złącza w kierunku przewodzenia jest 10³-10⁵ razy mniejszy od oporu w kierunku zaporowym. Złącze p-n charakteryzuje się zdolnością do jednokierunkowego przewodzenia prądu. Rzeczywiste złącza p-n nazywane są diodami półprzewodnikowymi. Statyczna charak­terystyka prądowo-napięciowa takiej diody przedstawiona jest na rys. 4.

Zależność prądu złącza od przyłożonego napięcia zewnętrznego z dobrym przybliże­niem opisuje teoretycznie znaleziona funkcja:

gdzie:

J_s - natężenie maksymalnego dopuszczalnego prądu w kierunku zaporowym

U - napięcie przyłożone do złącza

T - temperatura złącza

q - ładunek elektronu

k - stała Boltzmana.

Na charakterystyce prądowo-napięciowej diody półprzewodnikowej wyróżnia się pewne graniczne wartości napięć i prądów, których osiągnięcie lub przekroczenie może być przyczyną uszkodzenia diody w sposób trwały lub czasowy. Dla kierunku zaporowego podaje się:

U_rg - napięcie przebicia diody,

U_rd - maksymalne dopuszczalne napięcie w kierunku zaporowym (U_rd = 0,8 U_rg),

J_s - natężenie maksymalnego dopuszczalnego prądu; a dla kierunku przewodzenia:

J_F - natężenie prądu płynącego pod wpływem napięcia U_F = 0,5V lub U_F = 1V,

T_jd - dopuszczalna temperatura złącza,

J_{o max} - dopuszczalny prąd średni, jaki może płynąć przez diodę w kierunku

przewodzenia,

J_s - dopuszczalny prąd szczytowy, jaki może płynąć przez diodę w kierunku

przewodzenia.