16.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

16.2.1. Выпрямление

Диод, состоящий из полупроводника в контакте с металлом, выпрямляет благодаря образующемуся при этом потенциальному барьеру [175, 233, 240, 271]. Как показано на рис. 16.4, а, если энергия электронов в выпрямителе -типа меньше энергии, которую они имеют на нижней границе зоны проводимости в полупроводнике, то электроны будут течь из полупроводника в металл. Эти электроны будут оставлять за собой эквивалентное количество примесных центров, имеющих положительные заряды, которые, в свою очередь, будут наводить на поверхности металла равный отрицательный заряд. Результирующее электрическое поле увеличивает энергию, необходимую для удаления электронов из полупроводника, и поэтому понижает уровень зоны проводимости. Это поле будет возрастать, а уровень зоны проводимости падать до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, при котором число электронов, проходящих в обоих направлениях, будет одним и тем же и возникнет поверхностный потенциальный барьер. Если энергии выхода соответственно из металла и полупроводника, то высота барьера может быть выражена так:

где потенциал диффузии. В выпрямителе -типа электроны текут из металла в полупроводник, чтобы заполнять дырки в

заполненной зоне. Примесные центры вблизи поверхности, которые ранее были захвачены электронами из заполненной зоны, теперь создают область отрицательного заряда, который на поверхности металла наводит положительный заряд. Наведенное поле поднимает верхнюю границу заполненной зоны до тех пор, пока не установится равновесие, образуя потенциальный барьер прохождению дырок, как показано на рис. 16.4, б.

Рис. 16. 4. Выпрямление на полупроводниковом барьере: а и б - образование потенциального барьера соответственно с полупроводниками и -типа; в и г - условия при подаче на металл напряжения смещения, соответственно положительного и отрицательного. (См. [56].)

Предположим, что внешнее напряжение V прикладывается так, что металл становится заряженным положительно, а полупроводник, который предполагается -типа, — отрицательно заряженным. Поле, обусловленное потенциальным барьером, уменьшится, а уровень зоны проводимости поднимется, как показано на рис. Электронам, текущим из полупроводника в металл, теперь потребуется меньшая энергия, чтобы пройти барьер, и ток будет возрастать с увеличением V согласно соотношению

где А — площадь контакта, плотность доноров. Когда напряжение прикладывается в обратном направлении, как показано на рис. электроны, для того чтобы пройти барьер, должны еще приобрести энергию и для малых напряжений

уравнение (16.19) снова имеет силу. Поскольку ток не одинаков для различных направлений прикладываемого напряжения, контакт обладает характеристикой выпрямления.

Рис. 16. 5. Вольтамперные характеристики полупроводниковых выпрямителей: а — кремниевого выпрямителя -типа; б - германиевого выпрямителя -типа.

В случае материалов -типа ток течет, когда внешнее поле снижает верхнюю границу заполненной зоны, т. е. когда металл заряжен отрицательно. Пригодными для этого полупроводниками являются кремний [160, 226], германий и некоторые интерметаллические соединения.

Рис. 16. 6. Контакт полупроводникового выпрямителя: а — механическая конструкция; эквивалентная схема.

Типичные вольтамперные характеристики кремния -типа и германия -типа показаны соответственно на рис. 16.5, а и б. Уравнение (16.19) основывается на простой модели эмиссии диода, но были выведены и другие соотношения [296, 297, 298], использующие теорию диффузии с предположениями ограничения скорости дрейфа, барьера Мотта и барьера Шотки.

Эти соотношения вместе с уравнением (16.19) содержат показателе степени, хотя эксперимент показывает, что выпрямление нечувствительно к работе выхода. Были разработаны теории [151], в которых контакт рассматривался как переход или как поверхностные энергетические состояния. Рассмотренные здесь диоды обладают изменяющимся сопротивлением; диоды с изменяющейся емкостью рассматриваются в разд. 17.3.3.

Механические детали типичного выпрямляющего контакта показаны на рис. 16.6, а. Эквивалентная схема, данная на рис. 16.6, б, полезна при практическом конструировании. Нелинейное барьерное сопротивление шунтируется барьерной емкостью представляет сопротивление полупроводника от металлической контактной пружины до основного полупроводника, последовательную индуктивность контактной пружины. При круговой площади контакта радиусом сопротивление растекания определяется выражением

Типичное значение равно что дает для кремния сопротивление равное приблизительно 25 ом. Барьерная емкость определяется формулой

где толщина барьерного слоя, равная приблизительно Если то емкость составляет примерно типичное рабочее значение равно 250 ом, приблизительно На данной частоте можно заменить последовательной комбинацией где

Схему можно заменить более простой, в которой представлены индуктивностью параллельной с сопротивлением в этом случае

Если то уравнение (16.24) определяет величину где емкость, параллельная сопротивлению

Хотя такие полупроводящие контакты более или менее стабильны в работе, они подвержены подгоранию при чрезмерных электрических перегрузках. Обычно считается, что подгорание происходит из-за высокой температуры, возникающей [269, 271] вследствие омического нагревания сопротивления растекания полупроводника или вследствие рассеяния энергии электронами при прохождении ими барьера. На рис. 16.7, а показано, что температура возрастает до некоторого установившегося значения, при котором образующееся тепло рассеивается в массе материала. Для достаточно короткого времени температура пропорциональна рассеянной

энергии, тогда как установившаяся температура пропорциональна приложенной мощности. На рис. 16.7, б показано, что с увеличением расстояния от контакта температура падает.

Рис. 16. 7. Температура полупроводникового контакта.

Температура в точке Р дана в значениях окончательно установившейся температуры, а — относительная температура как функция времени для относительная температура как функция радиального расстояния для времени сек. (См. [271].)

Устойчивость к подгоранию достигается за счет выбора формы и давления контактной пружины и типа примеси; типичные энергия и мощность подгорания равны