Устройство и основные физические процессы

Полупроводниковым диодом называется электропре­образовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий 2 вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозна­чение приведены на рис. 1.2, а, б.

Буквами р и п обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно р-типа и n-типа.

Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое р и электронов в слое п) сильно различают­ся. Слой полупроводника, имеющий большую концентра­цию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концен­трацию, — базой.

Далее рассмотрим основные элементы диода (р-n-пе-реход и невыпрямляющий контакт металл-полупровод-ник), физические явления, лежащие в основе работы ди­ода, а также важные понятия, использующиеся для описания диода. Глубокое понимание физических явле­ний и владение указанными понятиями необходимо не только для того, чтобы правильно выбирать конкретные типы диодов и определять режимы работы соответствую­щих схем, выполняя традиционные расчеты по той или иной методике. В связи с быстрым внедрением в практи­ку инженерной работы современных систем схемотехни­ческого моделирования эти явления и понятия приходит­ся постоянно иметь в виду при выполнении математического моделирования. Системы моделирования быстро совершен­ствуются, и математические модели элементов электронных схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» фи­зические явления. Это делает весьма желательным постоян­ное углубление знаний в описываемой области и необходи­мым понимание основных физических явлений, а также использование соответствующих основных понятий.

Приведенное ниже описание основных явлений и по­нятий, кроме прочего, должно подготовить читателя к систематическому изучению вопросов математического моделирования электронных схем.

Рассматриваемые ниже явления и понятия необходи­мо знать при изучении не только диода, но и других при­боров.

Структура р-п-перехода. Вначале рассмотрим изолиро­ванные друг от друга слои полупроводника (рис. L3).

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.4).

В отечественной литературе по электронике уровни зонных диаграмм и разности этих уровней часто характе­ризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя их в вольтах, например, указывают, что ширина запрещен­ной зоны ф₃ Для кремния равна 1,11 В.

В то же время зарубежные системы схемотехнического моделирования реализуют тот подход, что указанные уров­ни и разности уровней характеризуются той или иной энер­гией и измеряются в электронвольтах (эВ), например, в ответ на запрос такой системы о ширине запрещенной зоны в случае кремниевого диода вводится величина 1,11 эВ.

В данной работе используется подход, принятый в оте­чественной литературе.

Теперь рассмотрим контактирующие слои полупровод­ника (рис. 1.5).

В контактирующих слоях полупроводника имеет мес­то диффузия дырок из слоя р в слой и, причиной которой является то, что их концентрация в слое р значительно больше их концентрации в слое п (существует градиент концентрации дырок). Аналогичная причина обеспечива­ет диффузию электронов из слоя п в сдой р. Диффузия дырок из слоя р в слой п, во-первых, уменьшает их кон­центрацию в приграничной области слоя р и, во-вторых, уменьшает концентрацию свободных электронов в при­граничной области слоя п вследствие рекомбинации. По-

добные результаты имеет и диффузия электронов из слоя п в слой р.

В итоге в приграничных областях слоя р и слоя п воз­никает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное со­противление. Ионы примесей обедненного слоя не ком­пенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е, ука­занной на рис. 1.5, Это поле препятствует переходу дырок из слоя р в слой п и переходу электронов из слоя п в слой р. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвиж­ных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой р и электроны из слоя р в слой п. В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному, обуслов­ленному градиентом концентрации. В несимметричном р-n-переходе более протяженным является заряд в слое с меньшей концентрацией примеси, т. е. в базе.

Изобразим зонную диаграмму для контактирующих сло­ев (рис. 1.6), учитывая, что уровень Ферми для них являет­ся единым.

Рассмотрение структуры р-n-перехода и изучение зон­ной диаграммы (рис. 1.6) показывают, что в области пе­рехода возникает потенциальный барьер. Для кремния высота Dф потенциального барьера примерно равна 0,75 В.

Примем условие, что потенциал некоторой удаленной от перехода точки в слое р равен нулю. Построим график зависимости потенциала (р от координаты х соответству­ющей точки (рис. 1.7). Как видно из рисунка, значение ко­ординаты х = 0 соответствует границе слоев полупровод­ника.

Важно отметить, что представленные выше зонные диаграммы и график для потенциала f (рис. 1.7) строго соответствуют подходу, используемому в литературе по физике полупроводников, согласно которому потенциал определяется для электрона, имеющего отрицательный заряд.

В электротехнике и электронике потенциал определя­ют как работу, совершаемую силами поля по переносу еди­ничного положительного заряда.

Построим график зависимости потенциала f_э, опреде­ляемого на основе электротехнического подхода, от коор­динаты х (рис. 1.8).

Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем опускать и использовать только электротехнический под­ход (за исключением зонных диаграмм).