Учебное пособие: Электроника Ицкович Учебное пособие Ч1 2017
56
2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ДИОДЫ
2.1
Введение
Полупроводниковый
диод
представляет
собой
комбинацию
двух
полупроводниковых
слоев
с
различными
типами
проводи
-
мости
(
рис
. 2.1).
Такая
комбинация
обладает
способностью
го
-
раздо
лучше
пропускать
ток
в
одном
направлении
(
от
слоя
p
к
слою
n )
и
гораздо
хуже
в
другом
.
Полярность
напряжения
,
со
-
ответствующая
большим
токам
,
называется
прямой
,
а
соответ
-
ствующая
меньшим
токам
—
обратной
.
Обычно
пользуются
тер
-
минами
«
прямое
и
обратное
напряжение
» (
смещение
), «
прямой
и
обратный
токи
».
Рис. 2.1 — Плоскостной диод:
а — упрощенная структура; б — условное
графическое обозначение
На
рис
. 2.1,
б
показаны
символическое
изображение
диода
,
направление
прямого
тока
и
полярность
прямого
напряжения
.
Вентильное
свойство
диода
является
следствием
ярко
выражен
-
ной
внутренней
неоднородности
структуры
.
Ступенчатая
неод
-
нородность
даже
в
полупроводниках
с
одним
типом
проводимо
-
сти
сопровождается
нарушением
закона
Ома
в
связи
с
образова
-
нием
объемных
зарядов
и
потенциального
барьера
.
В
данном
случае
,
когда
слои
разнотипные
,
нелинейность
,
естественно
,
ока
-
зывается
еще
сильнее
.
Несмотря
на
кажущуюся
простоту
,
диод
а
I
p
n
p–n пере-
б
p-n переход
57
является
сложным
прибором
,
так
как
имеет
много
областей
,
об
-
ладающих
различными
физическими
свойствами
.
1.
Области
,
прилегающие
к
границам
металл
-
полупровод
-
ник
.
Металл
необходим
для
создания
выводов
.
2.
Области
,
прилегающие
к
границе
(
металлургическая
грани
-
ца
),
образованной
двумя
полупроводниковыми
материалами
p
и
n.
3.
Области
полупроводников
вдали
от
металлургической
границы
.
Поверхность
,
по
которой
контактируют
слои
р
и
n,
называ
-
ется
металлургической
границей
,
а
прилегающие
к
ней
области
объемных
(
или
пространственных
)
зарядов
—
электронно
-
дырочным
переходом
или
р
-n
переходом
.
Два
других
внешних
контакта
в
диоде
должны
быть
не
выпрямляющие
:
поэтому
их
называют
омическими
контактами
.
Принципы
получения
омических
контактов
рассмотрим
позже
.
Плоскостными
диодами
и
соответственно
плоскостными
переходами
называют
такие
диоды
и
переходы
,
у
которых
грани
-
ца
между
слоями
плоская
,
а
площади
обоих
слоев
одинаковы
.
Эти
условия
не
всегда
соблюдаются
на
практике
,
но
соблюдение
этих
условий
облегчает
анализ
и
в
то
же
время
позволяет
полу
-
чить
правильное
представление
о
процессах
в
реальном
диоде
и
его
характеристиках
.
Диоды
—
самостоятельный
,
весьма
об
-
ширный
класс
полупроводниковых
приборов
.
В
то
же
время
диод
как
простейший
прибор
с
одним
р
-n
переходом
является
основой
многопереходных
приборов
—
транзисторов
и
других
.
Мы
изу
-
чим
диоды
именно
с
этой
точки
зрения
.
В
общих
чертах
процессы
в
полупроводниковом
диоде
можно
охарактеризовать
следующим
образом
.
В
отсутствие
внешнего
напряжения
имеет
место
больцмановское
равновесие
:
вблизи
металлургической
границы
,
где
сконцентрированы
объ
-
емные
заряды
и
связанное
с
ними
поле
,
диффузионные
и
дрейфо
-
вые
потоки
носителей
уравновешены
и
результирующего
тока
нет
.
Полярность
прямого
напряжения
способствует
«
выталкива
-
нию
»
дырок
из
р
-
слоя
в
n-
слой
и
электронов
в
обратном
направ
-
лении
.
В
результате
повышается
концентрация
дырок
в
n-
слое
и
концентрация
электронов
в
р
-
слое
,
т
.
е
.
имеет
место
инжекция
неосновных
носителей
в
обоих
слоях
диода
.
Инжектированные
носители
диффундируют
в
глубь
слоев
,
и
эта
монополярная
58
диффузия
сопровождается
протеканием
прямого
тока
.
Поляр
-
ность
обратного
напряжения
способствует
«
выталкиванию
»
ды
-
рок
из
n-
слоя
и
электронов
из
p-
слоя
в
область
перехода
,
т
.
е
.
имеет
место
экстракция
неосновных
носителей
и
протекает
соответствующий
обратный
ток
.
Диффузионный
ток
определяется
граничной
величиной
из
-
быточной
концентрации
неосновных
носителей
.
Поскольку
при
экстракции
модуль
избыточной
концентрации
не
может
превы
-
шать
весьма
малого
значения
равновесной
концентрации
,
а
при
инжекции
такого
ограничения
нет
,
прямой
ток
оказывается
намного
больше
обратного
,
что
и
является
основой
вентильных
свойств
диода
.
2.2
Электронно
-
дырочный
переход
Плоскостной
диод
состоит
из
электронно
-
дырочного
пере
-
хода
,
двух
нейтральных
(
или
квазинейтральных
)
слоев
и
омиче
-
ских
контактов
.
Поскольку
процессы
в
нейтральных
полупровод
-
никах
были
детально
изучены
в
первой
главе
,
следует
,
прежде
всего
,
рассмотреть
процессы
в
р
-n
переходе
и
учесть
возможное
влияние
нейтральных
областей
на
характеристики
и
параметры
диодов
.
Классификация р-n переходов
Прежде
всего
,
заметим
,
что
-
p n
переход
нельзя
осуще
-
ствить
путем
простого
соприкосновения
двух
разнородных
полу
-
проводниковых
пластинок
,
так
как
при
этом
неизбежен
промежу
-
точный
(
хотя
бы
и
очень
тонкий
)
слой
воздуха
или
поверхност
-
ных
пленок
.
Настоящий
переход
получается
в
единой
пластинке
полупроводника
,
в
которой
тем
или
иным
способом
получена
до
-
статочно
резкая
граница
между
слоями
р
и
n.
Резкость
границы
играет
принципиальную
роль
для
образования
перехода
,
так
как
нерезкая
граница
приводит
к
образованию
плавного
перехода
,
а
как
показывает
теория
,
такой
переход
не
обладает
теми
вен
-
тильными
свойствами
,
которые
требуются
для
работы
полупро
-
водниковых
диодов
и
транзисторов
.
59
Понятие
резкости
формулируется
следующим
образом
:
гра
-
ница
между
слоями
является
резкой
,
если
градиент
концентрации
примеси
(
считающийся
постоянным
в
пределах
перехода
)
удо
-
влетворяет
неравенству
,
i
D
i
dN
l
n
dx
>>
(2.1)
где
N —
эффективная
концентрация
примеси
,
di
l
—
дебаевская
длина
в
собственном
полупроводнике
.
0
dN/dx
0
n
i
N
д
-N
а
N
а
-N
д
N
а
-N
д
N
а
N
д
l
Di
l
Di
p
n
x
x
Рис. 2.2 — Распределение полных и эффективных
концентраций примеси вблизи металлургической
границы плавного перехода
Переходы
,
в
которых
имеется
скачкообразное
изменение
концентрации
на
границе
слоев
( dN
dx = ∞
),
будем
называть
сту
-
пенчатыми
.
Они
представляют
собой
предельный
случай
класса
резких
переходов
,
в
которых
градиент
концентрации
примесей
конечен
,
но
удовлетворяет
неравенству
(2.1).
На
практике
сту
-
пенчатые
переходы
являются
,
конечно
,
известным
приближени
-
ем
.
Однако
они
хорошо
отражают
свойства
многих
реальных
р
-n
60
структур
и
,
кроме
того
,
оказываются
проще
для
анализа
.
Поэтому
ниже
им
будет
уделено
главное
внимание
.
Контакты
,
в
которых
условие
(2.1)
не
соблюдается
,
не
назы
-
вают
переходами
,
а
относят
к
неоднородным
полупроводникам
.
По
соотношению
концентраций
основных
носителей
в
слоях
р
и
n
переходы
делятся
на
симметричные
и
несимметричные
.
В
симмет
-
ричных
переходах
имеет
место
соотношение
p
n
p
n
≈ ,
т
.
е
.
концен
-
трации
основных
носителей
в
обоих
слоях
почти
одинаковы
.
Такие
переходы
используются
сравнительно
редко
и
не
яв
-
ляются
типичными
.
Гораздо
большее
распространение
имеют
несимметричные
переходы
,
в
которых
выполняется
неравенство
p
n
p
n
>>
или
n
p
n
p
>>
(2.2)
и
концентрации
различаются
в
несколько
раз
.
Именно
такие
пе
-
реходы
будут
анализироваться
в
дальнейшем
,
причем
для
опре
-
деленности
считаем
,
что
слой
р
более
низкоомный
,
чем
слои
n,
т
.
е
. p
n
> .
Полученные
выводы
легко
использовать
при
обратном
со
-
отношении
концентраций
.
В
случае
резкой
асимметрии
,
когда
концентрации
основных
носителей
различаются
более
чем
на
по
-
рядок
,
переходы
называют
односторонними
и
обычно
обознача
-
ют
символами
( -
n p
+
или
-
n p
+
).
Иногда
,
чтобы
отличить
несим
-
метричные
переходы
от
односторонних
,
используют
для
первых
обозначения
-
p n
+
(
или
-
n p
+
),
а
для
вторых
-
p
n
++
(
или
-
n
p
++
).
Структура р-n перехода.
Концентрации
примесей
и
сво
-
бодных
носителей
в
каждом
из
слоев
диода
показаны
на
рис
. 2.3,
а
,
причем
для
наглядности
разница
в
концентрациях
p
p
и
n
n
принята
гораздо
меньшей
,
чем
это
имеется
в
действительности
.
Поскольку
концентрация
дырок
в
слое
р
значительно
боль
-
ше
,
чем
в
слое
n,
после
соединения
полупроводников
часть
дырок
диффундирует
из
слоя
р
в
слой
n.
При
этом
в
слое
n
вблизи
ме
-
таллургической
границы
окажутся
избыточные
дырки
.
Вслед
-
ствие
диэлектрической
релаксации
избыточный
заряд
дырок
бу
-
дет
компенсирован
электронами
полупроводника
n-
типа
.
Нали
-
чие
разности
концентраций
дырок
в
полупроводнике
n
приведет
к
образованию
разности
химических
потенциалов
и
к
возникно
-
вению
диффузии
.