P – n диод - p–n diode

Смотрите также: p – n переход и Диод § Полупроводниковые диоды

В этой статье дается более подробное объяснение поведения p – n-диода, чем в статьях. p – n переход или же диод.

А p – n диод это тип полупроводниковый диод на основе p – n переход. Диод проводит ток только в одном направлении, и это делается путем соединения пполупроводниковый слой типа пполупроводниковый слой типа. Полупроводниковые диоды имеют множество применений, включая преобразование переменного тока в постоянный, обнаружение радиосигналов, излучение света и обнаружение света.

Структура

На рисунке показаны две из множества возможных структур, используемых для p – n полупроводниковые диоды, оба приспособлены для увеличения напряжения, которое устройства могут выдерживать при обратном смещении. В верхней структуре используется меза, чтобы избежать резкого искривления п⁺-район рядом с прилегающим н-слой. В нижней структуре используется слегка легированный п-защитное кольцо на краю острого угла п⁺-слой для распределения напряжения на большее расстояние и уменьшения электрического поля. (Надстрочные знаки вроде п⁺ или же п⁻ относятся к более тяжелым или более легким примесным уровням легирования.)

Меза-диодная структура (вверху) и планарная диодная структура с защитным кольцом (внизу).

Электрическое поведение

Неидеальный p – n вольт-амперные характеристики диода.

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

Полупроводниковый диод не идеален. Как показано на рисунке, диод не проводит заметно до ненулевого значения. напряжение колена (также называемый напряжение включения или напряжение включения) достигается. 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 напряжение пробоя ток увеличивается очень быстро с более отрицательными обратными напряжениями.

Как показано на рисунке, на и выключенный сопротивления - это обратные наклоны вольт-амперной характеристики в выбранной точке смещения:

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

куда р_D это сопротивление и Δi_D - изменение тока, соответствующее изменению напряжения на диоде Δv_D при предвзятости v_D= V_{ПРЕДВЗЯТОСТЬ}.

Операция

Резкий p – n-диод, сделанный легированием кремний.

Здесь операция резкого p – n диод считается. Под «резким» подразумевается, что легирование p- и n-типа проявляет ступенчатая функция разрыв в плоскости, где они встречаются. Цель состоит в том, чтобы объяснить различные режимы смещения на рисунке, отображающем вольт-амперные характеристики. Операция описывается с помощью диаграммы изгиба ленты которые показывают, как самая низкая энергия зоны проводимости и самая высокая энергия валентной зоны меняются в зависимости от положения внутри диода при различных условиях смещения. Дополнительное обсуждение см. В статьях Полупроводник и Ленточная диаграмма.

Нулевое смещение

Схема изгиба ленты за p – n диод при нулевом приложенном напряжении. Область истощения заштрихована.

На рисунке представлена ​​диаграмма изгиба ленты для p – n диод; то есть края зоны для зоны проводимости (верхняя линия) и валентной зоны (нижняя линия) показаны как функция положения по обе стороны от стыка между п-типа материала (левая сторона) и п-типа материала (правая сторона). Когда п-тип и побласти одного и того же полупроводника объединены, и два контакта диода 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 п-бок и проехать к п-завершите короткое замыкание, чтобы отрегулировать занятость.)

Однако квартира Уровень Ферми требует полос на п-типа, чтобы переместиться выше соответствующих полос на п-типа сторона, образующая ступеньку или преграду по краям ленты, обозначенная φ_B. Этот шаг заставляет концентрацию электронов на п- сторона быть Фактор Больцмана ехр (-φ_B/V_th) меньше, чем на п-стороне, соответствующей меньшей электронной плотности в п-область, край. Символ V_th обозначает тепловое напряжение, определяется как V_th = k_BТ/q. В Т = 290 кельвины (комнатная температура) тепловое напряжение составляет примерно 25 мВ. Аналогично, плотность дырок на п- сторона Фактор Больцмана меньше, чем на п-сторона. Это взаимное уменьшение плотности неосновных носителей заряда на стыке заставляет пн-продукт плотности носителей, который будет

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

в любом положении внутри диода в состоянии равновесия.^[1] Где п_B и п_B плотности основных носителей на п- сторона и п-сайд соответственно.

В результате этого шага по краям ленты область истощения вблизи перехода становится обедненным как дырками, так и электронами, образуя изолирующую область почти без мобильный обвинения. Однако есть фиксированный, неподвижный заряды из-за легирующих ионов. 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 слое п-типа за счет акцепторной примеси и положительного заряда на псторона -типа за счет донорской легирующей примеси. Из-за этого заряда в этой области возникает электрическое поле, определяемое Уравнение Пуассона. Ширина обедненной области регулируется таким образом, чтобы отрицательный заряд акцептора на п- сторона точно уравновешивает положительный донорский заряд на п-стороне, поэтому вне области обеднения с обеих сторон нет электрического поля.

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

Прямое смещение

Схема изгиба ленты за p – n диод в прямом смещении. Диффузия перемещает носителей через соединение.

Квазиуровни Ферми и плотности носителей в прямом смещении п – н- диод. 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 полюс батареи подключается к п-типа материала, а отрицательная клемма подключена к п-типа материала так, чтобы отверстия вводились в п-типа материала и электронов в п-типа материала. Электроны в п-типа материала называются большинство носители на той стороне, но электроны, которые добираются до п-типа стороны называются меньшинство перевозчики. Те же дескрипторы применимы к дырам: они являются основными носителями на п-типа, а неосновные носители на п-типа сторона.

Прямое смещение разделяет два основных уровня половинной занятости на величину приложенного напряжения, что снижает разделение пкрая объемных зон -типа должны быть ближе по энергии к краям п-тип. Как показано на диаграмме, шаг по краям полосы уменьшается приложенным напряжением до φ_B−v_D. (Диаграмма изгиба полосы представлена ​​в единицах вольт, поэтому заряд электронов, по-видимому, не преобразуется v_D к энергии.)

При прямом смещении диффузионный ток потоки (то есть ток, вызванный градиентом концентрации) дырок из п- сторона в н-стороны, и электронов в противоположном направлении от п- сторона к п-сторона. 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, электронная плотность на поверхности п-сайд (где они неосновные перевозчики) является фактором ехр (-φ_B/V_th) ниже, чем на н-сторона (где они являются основными перевозчиками). С другой стороны, рядом с интерфейсом подача напряжения v_D уменьшает ступеньку на краях зоны и увеличивает плотность неосновных носителей на коэффициент Больцмана exp (v_D/ V_th) выше объемных значений. Внутри перекрестка пн-продукт увеличивается выше равновесного значения до:^[1]

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

Градиент, вызывающий диффузию, 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 от границы раздела в объем. Количество введенных неосновных носителей сокращается по мере их попадания в массу на рекомбинация механизмы, которые приводят избыточные концентрации к объемным значениям.

Рекомбинация может происходить путем прямого столкновения с основным носителем, аннигилированием обоих носителей, или через рекомбинация-генерация центр, дефект, который поочередно захватывает дырки и электроны, способствуя рекомбинации. У миноритарных перевозчиков есть ограниченное продолжительность жизни, и это время жизни, в свою очередь, ограничивает то, как далеко они могут диффундировать со стороны основного носителя на сторону неосновного носителя, так называемый длина диффузии. в ВЕЛ рекомбинация электронов и дырок сопровождается излучением света с длиной волны, связанной с 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 квазиуровни Ферми которые меняются в зависимости от положения. Как показано на рисунке, электронный квазиуровень Ферми сдвигается с положением от равновесного уровня Ферми с половинной заселенностью в н-на уровне равновесия половинной заселенности для дырок в глубине п-масса. Дырочный квазиуровень Ферми делает обратное. Два квазиуровня Ферми не совпадают, за исключением глубины в объемных материалах.

На рисунке показано падение плотности основных носителей заряда по сравнению с уровнями плотности основных носителей. п_B, п_B в их соответствующих сыпучих материалах с коэффициентом exp (- (φ_B−v_D)/V_th) меньше в верхней части преграды, которая уменьшается от равновесного значения φ_B на величину прямого смещения диода v_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, коэффициент exp (-φ_B/V_th) меньше их объемной плотности п_B, п_B в качестве основных носителей перед инъекцией. В этот момент квазиуровни Ферми воссоединяются с положениями объемных уровней Ферми.

Уменьшенный шаг кромок ленты также означает, что при прямом смещении область обеднения сужается, поскольку в нее проталкиваются отверстия из п-стороне и электроны из п-сторона.

В простом p – n На диоде прямой ток экспоненциально увеличивается с напряжением прямого смещения из-за экспоненциального увеличения плотности несущих, 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 встречается следующий: V_Колено = 0,7 В.^[2] Выше колена ток продолжает экспоненциально возрастать. Некоторые специальные диоды, например, некоторые варакторы, специально разработаны для поддержания низкого уровня тока до некоторого напряжения колена в прямом направлении.

Обратное смещение

Смотрите также: Стабилитрон и Фотодиод

Гибка ленты для p – n диод в обратном смещении

Квазиуровни Ферми в обратном направлении p – n диод.

При обратном смещении уровень заполнения лунок снова стремится оставаться на уровне основной части. пполупроводник, в то время как уровень заполнения электронами соответствует уровню заполнения объемного п-тип. В этом случае пкрая объемной полосы приподняты относительно п-типом оптом обратным смещением v_р, таким образом, два основных уровня заполнения снова разделены энергией, определяемой приложенным напряжением. Как показано на диаграмме, такое поведение означает, что шаг по краям полосы увеличен до φ_B+ v_р, а область истощения расширяется по мере удаления от нее дырок на п-стороне и электронов на п-сторона.

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 ток, который течет, происходит из-за очень слабого процесса генерации носителей внутри обедненной области из-за дефекты генерации-рекомбинации в этом регионе. Этот очень малый ток является источником тока утечки при обратном смещении. в фотодиод обратный ток вводится за счет создания дырок и электронов в обедненной области падающим светом, таким образом преобразуя часть падающего света в электрический ток.

Когда обратное смещение становится очень большим и достигает напряжения пробоя, процесс генерации в обедненной области ускоряется, что приводит к лавина состояние, которое может привести к разгоне и разрушению диода.

Диодный закон

Постоянный ток-напряжение идеального p – n диод регулируется Уравнение диода Шокли:^[3]

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

куда v_D - постоянное напряжение на диоде и я_р это обратный ток насыщения, ток, протекающий при обратном смещении диода (т. е. v_D большой и отрицательный). Количество V_th это тепловое напряжение определяется как V_th = k_BТ/q. Это примерно равно 25 мВ при Т = 290 кельвины.

Это уравнение не моделирует неидеальное поведение, такое как избыточная обратная утечка или явление пробоя. Во многих практических диодах это уравнение должно быть изменено, чтобы читать

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

куда п является фактор идеальности введены для моделирования более медленной скорости увеличения, чем предсказывается законом идеального диода. Используя это уравнение, диод на-сопротивление

${\displaystyle r_{\mathrm {D} }={\frac {1}{di_{\mathrm {D} }/dv_{\mathrm {D} }}}\approx {\frac {nV_{\mathrm {th} }}{i_{\mathrm {D} }}},}$

чем выше сила тока, тем меньше сопротивление.

Емкость

Смотрите также: Варактор

Слой истощения между п- и п- стороны p – n-диод служит изолирующей областью, разделяющей два контакта диода. Таким образом, диод обратного смещения показывает емкость обедненного слоя, иногда более неопределенно емкость перехода, аналогично конденсатор с параллельными пластинами с диэлектрической прокладкой между контактами. При обратном смещении ширина обедненного слоя увеличивается с увеличением обратного смещения. v_р, соответственно уменьшается емкость. Таким образом, переход служит конденсатором с регулируемым напряжением. В упрощенной одномерной модели емкость перехода равна:

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

с А область устройства, κ относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε₀ то электрическая постоянная, и ш ширина истощения (толщина области, в которой плотность мобильных носителей незначительна).

При прямом смещении, помимо указанной выше емкости обедненного слоя, происходит инжекция заряда и диффузия неосновных носителей. А диффузионная емкость существует, выражая изменение заряда неосновных носителей, которое происходит при изменении прямого смещения. С точки зрения накопленного заряда неосновных носителей ток диода я_D является:

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

куда Q_D - заряд, связанный с диффузией неосновных носителей, а τ_Т это время пробега- время прохождения неосновного заряда через область инжекции. Типичные значения времени прохождения составляют 0,1–100 нс.^[4] Исходя из этого, диффузионная емкость рассчитывается как:

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

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

Переходный ответ

Схема слабого сигнала для p – n диод, управляемый токовым сигналом, представленным как Источник Norton.

Диод - очень нелинейное устройство, но при изменении слабого сигнала его отклик можно проанализировать с помощью схема слабого сигнала основанный на смещении постоянного тока, относительно которого предполагается изменение сигнала. Эквивалентная схема показана справа для диода, работающего от Источник Norton. С помощью Действующий закон Кирхгофа на выходном узле:

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

с C_D диффузионная емкость диода, C_J емкость диодного перехода (емкость обедненного слоя) и р_D сопротивление диода, все в выбранной точке смещения покоя 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 (р_S|| г_D) параллельное сочетание р_S и р_D. Этот усилитель сопротивления демонстрирует угловая частота, обозначенный ж_C:

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

и для частот f >> f_C усиление падает с частотой, поскольку конденсаторы замыкают резистор накоротко. р_D. Предполагая, как и в случае включения диода, что C_D>>C_J и р_S>>р_D, найденные выше выражения для сопротивления и емкости диода дают:

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

который связывает угловую частоту со временем прохождения диода τ_Т.

Для диодов с обратным смещением C_D равен нулю, а член угловая частота часто заменяется на частота 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. v_р. Тогда частота среза равна:

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

и изменяется с обратным смещением, потому что ширина w (v_р) изолирующей области, лишенной подвижных носителей, увеличивается с увеличением обратного смещения диода, уменьшая емкость.^[5]

Смотрите также

• p-i-n диод

Примечания

1. Джон Спаркс (1994). Полупроводниковые приборы (2-е изд.). CRC Press. п. 78. ISBN  0-7487-7382-7.
2. Естественно, это напряжение зависит от выбранного уровня тока. Это напряжение для p – n диод берется 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..
3. Андрей Гребенников (2011). «§2.1.1: Диоды: принцип действия». Конструкция ВЧ- и СВЧ-передатчиков. J Wiley & Sons. п. 59. ISBN  0-470-52099-X.
4. Нараин Арора (2007). Mosfet-моделирование для 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.
5. В варактор это p – n диод работал в режиме обратного смещения. 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.

В этой статье использованы материалы из Citizendium статья "Полупроводниковый диод "под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Непортированная лицензия но не под GFDL.