В этой статье дается более подробное объяснение поведения p – n-диода, чем в статьях о p – n переходе или диоде .
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.
Состав
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 резкого искривления 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.)
Электрическое поведение
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:
где r D - сопротивление, а Δi D - изменение тока, соответствующее изменению напряжения на диоде Δv D при смещении v D = V BIAS .
Операция
Здесь рассматривается работа резкого p − n- диода. Под «резким» подразумевается, что легирование p- и n-типа демонстрирует 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 описана с использованием диаграмм изгиба зон, которые показывают, как наименьшая энергия зоны проводимости и наибольшая энергия валентной зоны изменяются в зависимости от положения внутри диода при различных условиях смещения. Дополнительное обсуждение см. В статьях « Полупроводники и ленточная диаграмма» .
Нулевое смещение
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
в любом положении внутри диода в состоянии равновесия. [1] 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 имеющихся 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
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, похоже, нет заряда электронов, преобразующего 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: [1]
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 их продвижения в объем за счет механизмов рекомбинации , которые приводят избыточные концентрации к объемным значениям.
Рекомбинация может происходить путем прямого столкновения с носителем большинства, уничтожая как носителей, или через рекомбинацию поколения центра , дефект , который попеременно ловушки дырки и электроны, помогая рекомбинацию. 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 половинной заселенности в n- объеме к равновесному уровню половинной заселенности 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, плотности 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 экспоненциально увеличивается с напряжением 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 часто в текстах о схемах с кремниевыми диодами выбирают V Knee = 0,7 В. [2] Выше колена ток 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
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 : [3]
где v D - постоянное напряжение на диоде, а I R - обратный ток насыщения, ток , который протекает, 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
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
демонстрируя меньшее сопротивление, чем выше ток.
Емкость
Слой обеднения между n- и p- сторонами p – n -диода служит изолирующей областью, разделяющей контакты двух диодов. Таким образом, диод при обратном смещении 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:
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:
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. [4] Исходя из этого, диффузионная емкость рассчитывается следующим образом:
Вообще говоря, для обычных уровней тока при прямом смещении эта емкость намного превышает емкость обедненного слоя.
Переходный ответ
Диод - это в высшей степени 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:
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:
с ( R S || R D ) параллельное сочетание R S и г D . Этот усилитель сопротивления имеет угловую частоту , обозначенную f C :
а для частот f >> f C усиление падает с частотой, когда конденсаторы замыкают резистор r D накоротко . Предполагая, как и в случае включения диода, что C D >> C J и R S >> r D , найденные выше выражения для сопротивления и емкости диода обеспечивают:
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 сопротивления Нортона драйвера, может быть неточным. Емкость перехода мала и зависит от обратного смещения об R . Тогда частота среза равна:
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. [5]
Смотрите также
Заметки
- ^ a b Джон Спаркс (1994). Полупроводниковые приборы (2-е изд.). CRC Press. п. 78. ISBN 0-7487-7382-7.
- ^ Естественно, это напряжение зависит от выбранного уровня тока. Это напряжение для p − n- диода принимается по-разному: 0,7 В и 0,5 В; видеть А.С. Седра и К.Ф. Смит (1998). «Глава 3: Диоды». Микроэлектронные схемы (4-е изд.). Издательство Оксфордского университета. п. 134 и Рисунок 3.8. ISBN 0-19-511663-1..
- ^ Андрей Гребенников (2011). «§2.1.1: Диоды: принцип действия». Конструкция радиочастотных и микроволновых передатчиков . J Wiley & Sons. п. 59. ISBN 0-470-52099-X.
- ^ Нараин Арора (2007). Mosfet-моделирование для моделирования СБИС: теория и практика . World Scientific. п. 539. ISBN. 981-256-862-Х.Жан-Пьер Колиндж, Синтия А. Колиндж (2002). Физика полупроводниковых приборов (2-е изд.). Springer. п. 149. ISBN. 1-4020-7018-7.
- ^ Варакторный является р-п диод работает в обратном смещении. См., Например, В.С.Багад (2009). «§5.8.1 Варакторный диод: принцип работы». Микроволновая и радиолокационная техника (2-е изд.). Технические публикации Пуна. ISBN 81-8431-121-4.
Эта статья включает материал из статьи Citizendium « Полупроводниковый диод », которая находится под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License, но не GFDL .