p – n диод

См. Также: p – n переход и диод § Полупроводниковые диоды

В этой статье дается более подробное объяснение поведения p – n-диодов, чем в статьях о p – n переходах или диодах.

Р-н диод представляет собой тип полупроводникового диода основан на р-п - переход. Диод проводит ток только в одном направлении, и он создается путем соединения полупроводникового слоя p- типа с полупроводниковым слоем n- типа. Полупроводниковые диоды имеют множество применений, включая преобразование переменного тока в постоянный, обнаружение радиосигналов, излучение света и обнаружение света.

• 1 Структура
• 2 Электрические характеристики
• 3 Эксплуатация
  • 3.1 Нулевое смещение
  • 3.2 Прямое смещение
  • 3.3 Обратное смещение
  • 3.4 Диодный закон
  • 3.5 Емкость
  • 3.6 Переходный ответ
• 4 См. Также
• 5 Примечания

На рисунке показаны две из множества возможных структур, используемых для полупроводниковых p – n- диодов, обе адаптированы для увеличения напряжения, которое устройства могут выдерживать при обратном смещении. В верхней структуре используется меза, чтобы избежать резкой кривизны p ⁺ - области рядом с прилегающим n- слоем. В нижней структуре используется слабо легированное p - защитное кольцо на краю острого угла p ⁺ - слоя для распределения напряжения на большее расстояние и уменьшения электрического поля. (Верхние индексы, такие как n ⁺ или n ^- относятся к более тяжелым или более легким примесным уровням легирования.)

Меза-диодная структура (вверху) и планарная диодная структура с защитным кольцом (внизу). Неидеальные вольт-амперные характеристики p – n- диодов.

Идеальный диод имеет нулевое сопротивление для прямой полярности смещения и бесконечное сопротивление (проводит нулевой ток) для обратной полярности напряжения ; при подключении к цепи переменного тока полупроводниковый диод действует как электрический выпрямитель.

Полупроводниковый диод не идеален. Как показано на рисунке, диод не проводит, пока заметно отличен от нуля в коленном напряжении (также называется напряжение включения или врезного напряжение ) достигаются. Выше этого напряжения наклон кривой вольт-амперной характеристики не бесконечен (сопротивление в открытом состоянии не равно нулю). В обратном направлении диод проводит ненулевой ток утечки (преувеличенный меньшим масштабом на рисунке), и при достаточно большом обратном напряжении ниже напряжения пробоя ток увеличивается очень быстро с более отрицательными обратными напряжениями.

Как показано на рисунке, сопротивления включения и выключения представляют собой обратные наклоны вольт-амперной характеристики в выбранной точке смещения:

${\ displaystyle r_ {D} = \ left. {\ frac {\ Delta v_ {D}} {\ Delta i_ {D}}} \ right | _ {v_ {D} = V_ {BIAS}} \,}$

где r D - сопротивление, а Δi D - изменение тока, соответствующее изменению напряжения на диоде Δv D при смещении v D = V BIAS.

Резкий p − n-диод из легирования кремния.

Здесь рассматривается работа резкого p − n- диода. Под «резким» подразумевается, что легирование p- и n-типа проявляет скачок ступенчатой ​​функции в плоскости, где они встречаются друг с другом. Цель состоит в том, чтобы объяснить различные режимы смещения на рисунке, отображающем вольт-амперные характеристики. Работа описывается с помощью диаграмм изгиба зон, которые показывают, как наименьшая энергия зоны проводимости и наибольшая энергия валентной зоны меняются в зависимости от положения внутри диода при различных условиях смещения. Дополнительное обсуждение см. В статьях « Полупроводники и ленточная диаграмма».

Нулевое смещение

Ленточная изгиба диаграмма для р-п диода при нулевом приложенном напряжении. Область истощения заштрихована.

На рисунке показана диаграмма изгиба зон для p – n- диода; то есть края зоны для зоны проводимости (верхняя линия) и валентной зоны (нижняя линия) показаны как функция положения по обе стороны от соединения между материалом p- типа (левая сторона) и материалом n- типа. материал (правая сторона). Когда p- тип и n- тип области одного и того же полупроводника объединены и два диодных контакта закорочены, уровень половинной занятости Ферми (пунктирная горизонтальная прямая) находится на постоянном уровне. Этот уровень обеспечивает правильное заполнение дырок и электронов в бесполевом объеме по обе стороны от перехода. (Так, например, электрону не обязательно покидать n- сторону и переходить на p- сторону через короткое замыкание, чтобы отрегулировать заполненность.)

Тем не менее, плоский уровень Ферми требует полос на р стороне -типа, чтобы двигаться выше, чем соответствующие полосы на п стороны -типа, образуя шаг или барьер краев полосы, меченный φ B. Этот шаг заставляет плотность электронов на p- стороне быть фактором Больцмана exp (- φ B / V th ) меньше, чем на n- стороне, что соответствует более низкой плотности электронов в p-области. Символ V th обозначает тепловое напряжение, определяемое как V th  = k B T / q. При T  = 290  кельвинов (комнатная температура) тепловое напряжение составляет примерно 25 мВ. Точно так же плотность дырок на n- стороне является фактором Больцмана меньше, чем на p- стороне. Это взаимное уменьшение плотности неосновных носителей заряда на переходе вынуждает pn -продукт концентраций носителей быть

${\ displaystyle pn = p_ {B} n_ {B} \, e ^ {- \ varphi _ {\ mathrm {B}} / V _ {\ mathrm {th}}}}$

в любом положении внутри диода в состоянии равновесия. Где p B и n B - плотности основного носителя на p- стороне и n- стороне, соответственно.

В результате этого шага на краях зоны обедненная область около перехода становится обедненной как дырками, так и электронами, образуя изолирующую область почти без подвижных зарядов. Однако существуют фиксированные, неподвижные заряды из-за ионов легирующей примеси. Практически полное отсутствие подвижного заряда в обедненном слое означает, что присутствующих подвижных зарядов недостаточно для уравновешивания неподвижного заряда, вносимого ионами легирующей примеси: отрицательный заряд на стороне p- типа из-за акцепторной примеси и положительный заряд на n сторона -типа за счет донорской легирующей примеси. Из-за этого заряда в этой области возникает электрическое поле, как определено уравнением Пуассона. Ширина обедненной области регулируется таким образом, что отрицательный заряд акцептора на p- стороне точно уравновешивает положительный донорный заряд на n- стороне, поэтому вне области обеднения с обеих сторон отсутствует электрическое поле.

В этой конфигурации полосы не подается напряжение и через диод не протекает ток. Чтобы пропустить ток через диод, необходимо приложить прямое смещение, как описано ниже.

Прямое смещение

Band-сгибание схемы для р-н диода в прямом смещении. Диффузия перемещает носителей через соединение. Квазиуровни Ферми и плотности носителей в прямом смещенном p – n- диоде. На рисунке предполагается, что рекомбинация ограничена областями, где концентрация основных носителей заряда близка к объемным значениям, что не является точным, когда центры генерации рекомбинации в области поля играют роль.

При прямом смещении положительный вывод батареи подключается к материалу p- типа, а отрицательный вывод подключается к материалу n- типа, так что дырки вводятся в материал p- типа, а электроны - в материал n- типа. Электроны в материале n- типа называются основными носителями на этой стороне, а электроны, которые попадают на сторону p- типа, называются неосновными носителями. Те же дескрипторы применимы к дыркам: они являются основными носителями на стороне p- типа и неосновными носителями на стороне n- типа.

Прямое смещение разделяет два объемных уровня половинной занятости по величине приложенного напряжения, что снижает разделение краев объемных зон p- типа, чтобы они были ближе по энергии к краям n- типа. Как показано на диаграмме, шаг в полосе краев уменьшается от приложенного напряжения к ф B -v D. (Диаграмма изгиба полосы сделана в единицах вольт, поэтому заряд электронов, по-видимому, не преобразует v D в энергию.)

При прямом смещении диффузионный ток течет (то есть ток, обусловленный градиентом концентрации) дырок с p- стороны в n- сторону и электронов в противоположном направлении от n- стороны к p- стороне. Градиент, управляющий этим переносом, настраивается следующим образом: в объеме, удаленном от границы раздела, неосновные носители имеют очень низкую концентрацию по сравнению с основными носителями, например, концентрация электронов на p- стороне (где они являются неосновными носителями) составляет коэффициент exp (- φ B / V th ) ниже, чем на стороне n (где они являются основными носителями). С другой стороны, вблизи границы раздела приложение напряжения v D уменьшает ступеньку на краях зоны и увеличивает плотности неосновных носителей на коэффициент Больцмана exp ( v D / V th ) по сравнению с объемными значениями. Внутри перехода pn- произведение увеличивается выше равновесного значения до:

${\ displaystyle pn = \ left (p_ {B} n_ {B} \ e ^ {- \ varphi _ {B} / V_ {th}} \ right) \ e ^ {v_ {D} / V_ {th}} \.}$

Градиент, приводящий к диффузии, в таком случае представляет собой разницу между плотностями больших избыточных неосновных носителей заряда на барьере и низкими плотностями в объеме, и этот градиент управляет диффузией неосновных носителей заряда из границы раздела в объем. Количество введенных неосновных носителей уменьшается по мере того, как они перемещаются в объем за счет механизмов рекомбинации, которые приводят избыточные концентрации к объемным значениям.

Рекомбинация может происходить путем прямого столкновения с основным носителем, аннигилируя оба носителя, или через центр генерации рекомбинации, дефект, который поочередно захватывает дырки и электроны, способствуя рекомбинации. Неосновные носители имеют ограниченный срок службы, и это время жизни, в свою очередь, ограничивает то, как далеко они могут диффундировать со стороны основных носителей на сторону неосновных носителей, так называемую длину диффузии. В светодиодах рекомбинация электронов и дырок сопровождается излучением света с длиной волны, связанной с энергетическим зазором между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому диод преобразует часть прямого тока в свет.

При прямом смещении линии половинной занятости дырок и электронов не могут оставаться плоскими по всему устройству, как в состоянии равновесия, а становятся квазиуровнями Ферми, которые меняются в зависимости от положения. Как показано на рисунке, электронный квазиуровень Ферми смещается с положением от равновесного уровня Ферми с половинной заселенностью в n- объеме к равновесному уровню с половинной заселенностью для дырок глубоко в p- объеме. Дырочный квазиуровень Ферми делает обратное. Два квазиуровня Ферми не совпадают, за исключением глубины в объемных материалах.

На рисунке показано падение плотности основных носителей заряда от уровней плотности основных носителей n B, p B в соответствующих объемных материалах до уровня, который на коэффициент exp (- ( φ B −v D ) / V th ) меньше в верхней части барьер, который уменьшается от равновесного значения ф B на величину переднего смещения диода об D. Поскольку этот барьер расположен в материале с противоположным легированием, инжектированные носители в позиции барьера теперь являются неосновными носителями. По мере того, как происходит рекомбинация, концентрации неосновных носителей падают с глубиной до их равновесных значений для объемных неосновных носителей, что на коэффициент exp (- φ B / V th ) меньше, чем их объемные плотности n B, p B как основных носителей до инжекции. В этот момент квазиуровни Ферми воссоединяются с положениями объемных уровней Ферми.

Уменьшение шага на краях зоны также означает, что при прямом смещении область обеднения сужается, поскольку дырки проталкиваются в нее с p- стороны, а электроны - с n- стороны.

В простом p – n- диоде прямой ток увеличивается экспоненциально с увеличением напряжения прямого смещения из-за экспоненциального увеличения плотности носителей, поэтому всегда есть ток даже при очень малых значениях приложенного напряжения. Однако, если кто-то интересуется некоторым конкретным уровнем тока, для достижения этого уровня тока потребуется "излом" напряжения. Например, очень распространенный выбор в текстах о схемах с кремниевыми диодами - V Knee = 0,7 В. Ток выше колена продолжает расти экспоненциально. Некоторые специальные диоды, такие как некоторые варакторы, специально разработаны для поддержания низкого уровня тока до некоторого напряжения колена в прямом направлении.

Обратное смещение

Смотрите также: стабилитрон и фотодиод Изгибание полосы для p – n- диода при обратном смещении Квазиуровни Ферми в p − n- диоде с обратным смещением.

При обратном смещении уровень заполнения дырок снова стремится оставаться на уровне объемного полупроводника p- типа, в то время как уровень заполнения для электронов следует за уровнем заполнения объемного полупроводника n- типа. В этом случае края объемной зоны p- типа приподняты относительно объема n- типа за счет обратного смещения v R, так что два объемных уровня заполнения снова разделены энергией, определяемой приложенным напряжением. Как показано на диаграмме, такое поведение означает, что шаг на краях зоны увеличивается до φ B + v R, а область обеднения расширяется по мере того, как дырки отталкиваются от нее на p- стороне и электроны на n- стороне.

Когда применяется обратное смещение, электрическое поле в обедненной области увеличивается, отталкивая электроны и дырки дальше друг от друга, чем в случае нулевого смещения. Таким образом, любой протекающий ток происходит из-за очень слабого процесса генерации носителей заряда внутри обедненной области из -за дефектов генерации-рекомбинации в этой области. Этот очень небольшой ток является источником тока утечки при обратном смещении. В фотодиоде обратный ток вводится за счет создания дырок и электронов в обедненной области падающим светом, тем самым преобразуя часть падающего света в электрический ток.

Когда обратное смещение становится очень большим, достигая напряжения пробоя, процесс генерации в области истощения ускоряется, что приводит к лавинообразному состоянию, которое может вызвать разгон и разрушить диод.

Диодный закон

Величина постоянного тока идеального p – n- диода определяется уравнением диода Шокли :

${\ displaystyle i _ {\ mathrm {D}} = I _ {\ mathrm {R}} \ left (e ^ {v _ {\ mathrm {D}} / V _ {\ mathrm {th}}} - 1 \ right), }$

где v D - постоянное напряжение на диоде, а I R - обратный ток насыщения, ток, который течет, когда диод смещен в обратном направлении (то есть v D большое и отрицательное значение). Величина V th представляет собой тепловое напряжение, определяемое как V th  = k B T / q. Это примерно равно 25 мВ при T  = 290 кельвинов.

Это уравнение не моделирует неидеальное поведение, такое как избыточная обратная утечка или явление пробоя. Во многих практических диодах это уравнение необходимо изменить так, чтобы оно читалось как

${\ displaystyle i_ {D} = I_ {R} \ left (e ^ {v _ {\ mathrm {D}} / (nV _ {\ mathrm {th}})} - 1 \ right),}$

где n - коэффициент идеальности, введенный для моделирования более медленной скорости увеличения, чем предсказывается законом идеального диода. Используя это уравнение, сопротивление диода в открытом состоянии равно

${\ displaystyle r _ {\ mathrm {D}} = {\ frac {1} {di _ {\ mathrm {D}} / dv _ {\ mathrm {D}}}} \ приблизительно {\ frac {nV _ {\ mathrm {th }}} {я _ {\ mathrm {D}}}},}$

демонстрируя меньшее сопротивление, чем выше ток.

Емкость

Смотрите также: Варактор

Слой обеднения между n- и p- сторонами p – n -диода служит изолирующей областью, разделяющей контакты двух диодов. Таким образом, диод с обратным смещением демонстрирует емкость обедненного слоя, иногда более расплывчато называемую емкостью перехода, аналогичную конденсатору с параллельными пластинами с диэлектрической прокладкой между контактами. При обратном смещении ширина обедненного слоя увеличивается с увеличением обратного смещения v R, и соответственно уменьшается емкость. Таким образом, переход служит конденсатором с регулируемым напряжением. В упрощенной одномерной модели емкость перехода равна:

${\ displaystyle C_ {J} = \ kappa \ varepsilon _ {0} {\ frac {A} {w (v_ {R})}} \,}$

где A - площадь устройства, κ - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε 0 - электрическая постоянная, а w - ширина обеднения (толщина области, в которой плотность мобильных носителей пренебрежимо мала).

При прямом смещении, помимо указанной выше емкости обедненного слоя, происходит инжекция и диффузия заряда неосновных носителей. Существует диффузионная емкость, выражающая изменение заряда неосновных носителей, которое происходит при изменении прямого смещения. С точки зрения накопленного заряда неосновных носителей ток диода i D равен:

${\ displaystyle i_ {D} = {\ frac {Q_ {D}} {\ tau _ {T}}} \,}$

где Q D - заряд, связанный с диффузией неосновных носителей заряда, а τ T - время прохождения, время, необходимое для прохождения неосновным зарядом области инжекции. Типичные значения времени прохождения составляют 0,1–100 нс. Исходя из этого, диффузионная емкость рассчитывается как:

${\ displaystyle C_ {D} = {\ frac {dQ_ {D}} {dv_ {D}}} = \ tau _ {T} {\ frac {di_ {D}} {dv_ {D}}} = {\ гидроразрыв {i_ {D} \ tau _ {T}} {V_ {th}}} \.}$

Вообще говоря, для обычных уровней тока при прямом смещении эта емкость намного превышает емкость обедненного слоя.

Переходный ответ

Схема слабого сигнала для p – n- диода, управляемая токовым сигналом, представленным как источник Нортона.

Диод - очень нелинейное устройство, но для изменений слабого сигнала его отклик можно проанализировать с помощью схемы слабого сигнала, основанной на смещении постоянного тока, относительно которого, как предполагается, изменяется сигнал. Эквивалентная схема показана справа для диода, управляемого источником Norton. Используя текущий закон Кирхгофа в выходном узле:

${\ displaystyle I_ {S} = \ left (j \ omega (C_ {J} + C_ {D}) + {\ frac {1} {r_ {D}}} + {\ frac {1} {R_ {S) }}} \ right) V_ {O} \,}$

где C D - диффузионная емкость диода, C J - емкость диодного перехода (емкость обедненного слоя) и r D - сопротивление диода, все в выбранной точке покоя смещения или Q-точке. Выходное напряжение, обеспечиваемое этой схемой, тогда:

${\ displaystyle {\ frac {V_ {O}} {I_ {S}}} = {\ frac {(R_ {S} {\ mathit {\ parallel}} r_ {D})} {1 + j \ omega ( C_ {D} + C_ {J}) (R_ {S} {\ mathit {\ parallel}} r_ {D})}} \,}$

с ( R S || R D ) параллельное сочетание R S и г D. Этот усилитель сопротивления имеет угловую частоту, обозначенную f C :

${\ displaystyle f_ {C} = {\ frac {1} {2 \ pi (C_ {D} + C_ {J}) (R_ {S} {\ mathit {\ parallel}} r_ {D})}} \,}$

а для частот f gt;gt; f C усиление падает с частотой, когда конденсаторы замыкают резистор r D накоротко. Предполагая, как и в случае включения диода, что C D gt;gt; C J и R S gt;gt; r D, найденные выше выражения для сопротивления и емкости диода обеспечивают:

${\ displaystyle f_ {C} = {\ frac {1} {2 \ pi n \ tau _ {T}}} \,}$

который относится угловая частота к тому времени диода транзита т Т.

Для диодов, работающих с обратным смещением, C D равен нулю, и термин угловая частота часто заменяется частотой среза. В любом случае, при обратном смещении сопротивление диода становится довольно большим, хотя и не бесконечным, как предполагает закон идеального диода, и предположение, что оно меньше, чем сопротивление Нортона драйвера, может быть неточным. Емкость перехода мала и зависит от обратного смещения об R. Тогда частота среза равна:

${\ displaystyle f_ {C} = {\ frac {1} {2 \ pi C_ {J} (R_ {S} {\ mathit {\ parallel}} r_ {D})}} \,}$

и изменяется в зависимости от обратного смещения, поскольку ширина w (v R ) изолирующей области, лишенной подвижных несущих, увеличивается с увеличением обратного смещения диода, уменьшая емкость.

• контактный диод

Эта статья включает материал из статьи Citizendium « Полупроводниковый диод », которая находится под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License, но не GFDL.