WSTĘP TEORETYCZNY
1. Złącze p - n.
Działanie większości elementów półprzewodnikowych opiera się na współdziałaniu złącz p-n i obszaru przelotowego, stanowiącego na ogół obszar półprzewodnika jednego rodzaju. Złącza umożliwiają wprowadzenie, odprowadzenie i sterowanie strumienia nośników ładunku. W obszarach transportu steruje się nośnikami. Złączem nazywa się przejście, w którym występuje dość raptowna zmiana rodzaju materiału półprzewodnika. Odległość między dwoma różnymi obszarami jest tego samego rzędu co odległość między atomami w kryształach. Istnieje wiele różnych złączy, najczęściej spotykane jest złącze p-n, które powstało z „zetknięcia” dwóch różnych obszarów, p i n. Po „zetknięciu” dwóch obszarów p i n, jednego z nośnikami dziurowymi, drugiego z nośnikami elektronowymi, następuje wzajemny przepływ nośników. Ponieważ koncentracja elektronów w obszarze n jest znacznie większa, niż w obszarze p, to elektrony ze strefy przyłączonej dyfundują do obszaru p. Podobnie dziury przechodzą do obszaru n. Po zetknięciu, kiedy pewna liczba elektronów przejdzie do obszaru p, zaś z obszaru p pewna liczba dziur przedostanie się do obszaru n, po obu stronach strefy przygranicznej powstaną nieskompensowane ładunki elektryczne. Nośniki przedostające się do przeciwnych obszarów stają się nadmiarowymi nośnikami mniejszościowymi w tych obszarach.
Rys. Złącze p-n; nośniki w obszarach p i n.
A, C - obszary neutralne, B - bariera potencjałów
Nośniki te rekombinują z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę granicy złącza. W wyniku tego w obszarze n będzie nadmiar ładunku dodatniego jonów, w obszarze p będzie nadmiar ładunku ujemnego. Są to ładunki jonów ulokowanych w węzłach siatki krystalicznej. Warstwa podwójna ładunku nazywa się obszarem ładunku przestrzennego, warstwą zaporową lub obszarem zubożonym, gdzie nie ma praktycznie nośników większościowych. Po utworzeniu się tej warstwy zostaje zahamowany dalszy przepływ nośników, gdyż ładunek przestrzenny dodatni po stronie n będzie hamował dalszy dopływ nośników (dziur) dodatnich z obszaru p do n oraz ładunek ujemny po stronie p będzie hamował dalszy dopływ nośników (elektronów) ujemnych z obszaru n do p. Tworzy się tu pole elektryczne hamujące, reprezentowane przez barierę potencjałów. Wysokość bariery, a więc różnica potencjałów, jest nazywana napięciem dyfuzyjnym.
2. Diody półprzewodnikowe.
Dioda półprzewodnikowa zawiera złącze p-n, które może być utworzone różnymi metodami technologicznymi. Parametry diody mogą być omówione na przykładzie diody dyfuzyjnej składającej się z pary kontaktów metalowych z doprowadzeniami, dwóch obszarów p i n oraz pomocniczej warstwy ochronnej naniesionej na górną powierzchnię diody. Kontakt dolny jest jednocześnie wspornikiem, na nim opiera się cała konstrukcja diody w obudowie.
Diody germanowe odznaczają się gorszymi właściwościami przy polaryzacji w kierunku wstecznym, ale przy mniejszym napięciu w kierunku przewodzenia zaczyna przez diodę płynąć prąd. Prąd w kierunku wstecznym może być ponad trzy rzędy wielkości większy od prądu diody krzemowej.
Podstawowymi parametrami statycznymi diody są:
- napięcie w kierunku przewodzenia UF przy określonym prądzie IF
- napięcia i prądy maksymalne dla obu kierunków polaryzaci diody (UFmax, IFmax, URmax, Irmax)
- dopuszczalna moc strat Pmax
- maksymalna dopuszczalna temperatura Tfmax
Ważność tych parametrów jest różna, zależnie od zastosowania diody, pewne z nich mogą nawet nie być podawane w karcie katalogowej. Pierwszy parametr umożliwia określenie przybliżonego kształtu charakterystyki dla kierunku przewodzenia, drugi określa zakres powtarzalnych napięć i prądów dopuszczalnych oraz w diodach prostowniczych podawane są dodatkowo niepowtarzalne prądy przewodzenia i niepowtarzalne napięcia wsteczne przy zadanym czasie trwania tego przeciążenia.
1