Материал: 2072

Кремниевые диоды имеют более высокую рабочую температуру и поэтому позволяют рассеивать большие мощности. В схемах с импульсами малой амплитуды чаще используются германиевые диоды, для переключения токов в десятки и сотни миллиампер более предпочтительными оказываются кремниевые импульсные диоды.

Наряду с изменением концентрации избыточных дырок, одновременно и точно таким же образом изменяется и концентрация электронов, которые в необходимом для этого количестве входят в базу через омический контакт. Это обстоятельство связано с принципом зарядовой нейтральности полупроводника, согласно которому внутри базовой области вне p–n-пере- хода не может возникнуть объемный заряд.

Таким образом, при прохождении прямого тока в базе диода возникает повышенная концентрация как дырок, так и электронов. Это явление полу-

чило название накопления носителей заряда в базе. Иногда используют термин накопление заряда. Следует помнить, что объемных зарядов в базе не возникает из-за нейтрализации дырок электронами. Электронейтральность базы сохраняется и при последующем рассасывании накопленных носителей заряда.

Еще раз отметим, что установившееся состояние, возникающее при длительном протекании прямого тока и характеризующееся повышенной концентрацией дырок и электронов в базе, следует понимать как динамическое равновесие, при котором происходит непрерывная инжекция дырок p–n-переходом и их рекомбинация, при этом полное количество неравновесных носителей заряда в базе поддерживается постоянным.

Уровнем инжекции называют отношение избыточной концентрации неосновных носителей заряда к равновесной концентрации основных но-

сителей заряда. Значениям отношения pn1 1 соответствует низкий nn0

уровень инжекции, а значениям 1 – высокий. Следует отметить, что уровень инжекции определяется не только током, протекающим через диод, но также геометрией p–n-перехода и электрофизическими свойствами полупроводника базы.

В случае низкого уровня инжекции относительное изменение концентрации электронов в базе не превышает нескольких единиц процентов и практически никак не проявляется при работе диода в переключающем режиме. Относительное же изменение концентрации дырок (по сравнению с их равновесной концентрацией) при этом весьма значительно (не менее, чем в сотни и тысячи раз), поэтому и справедливо использование термина

накопление дырок.

Из простых физических соображений очевидно, что величина накопленного заряда будет тем больше, чем больше прямой ток через диод и чем

41

больше время жизни дырок в базе. Кроме того, величина накопленного заряда зависит от геометрии базы.

Так, в точечном диоде диффузия дырок от p–n-перехода идет гораздо интенсивнее, чем в плоскостном, что объясняется полусферической геометрией p–n-перехода. Поэтому при переключении диода с прямого направления на обратное во внешнюю цепь вытекает меньшая доля накопленного заряда, чем в случае плоскостного диода.

Если в плоскостном диоде уменьшить толщину базы до размеров, меньших диффузионной длины дырок, то процесс накопления и рассасывания заряда начинает определяться главным образом свойствами омического контакта. Иногда вводят понятие эффективного времени жизни, определяемого интенсивностью рекомбинации как в базовой области, так и в плоскости омического контакта. Для контакта с высокой скоростью поверхностной рекомбинации, интенсивно поглощающего дырки, эффективное время жизни и соответственно величина накопленного заряда меньше, чем для того же диода с толстой базой. Если же рекомбинация в плоскости омического контакта мала и подошедшие к контакту дырки отражаются обратно в базу без рекомбинации, то накопленный заряд может быть очень большим, так как в этом случае процесс инжекции уравновешивается только рекомбинацией в объеме базы, а этот объем меньше, чем в таком же диоде с толстой базой.

Рассмотренные качественные особенности приборов с разной геометрией p–n-перехода и базы используются при конструировании быстродействующих диодов.

Накопление неравновесных носителей заряда в базе обусловливает инерционность диода при работе его в переключающем режиме. Как известно, обратный ток диода определяется концентрацией неосновных носителей заряда в базе вблизи p–n-перехода. Поэтому при быстром переключении диода из прямого направления в обратное его обратный ток в первый момент намного превышает свое статическое значение. При изменении полярности напряжения на p–n-переходе он из эмиттера дырок превращается в их поглотителя: любая дырка, оказавшаяся со стороны базы вблизи p-n перехода, беспрепятственно проходит в p-область. Концентрация избыточных дырок около p–n-перехода уменьшается вследствие трех эффектов: поглощения дырок p–n-переходом, рекомбинации их с электронами и диффузии в направлении от p–n-перехода к омическому контакту. При переключении диода из прямого направления в обратное происходит

рассасывание накопленного заряда.

Обратный ток диода, имевший очень большое значение сразу после переключения, начинает по мере рассасывания накопленного заряда уменьшаться, оставаясь в течение всего времени рассасывания больше своего статического значения и лишь постепенно приближаясь к нему.

42

Соответственно этому обратное сопротивление диода, малое сразу после переключения, постепенно увеличивается до своего статического значения

– происходит восстановление обратного сопротивления диода. В совре-

менных полупроводниковых диодах время рассасывания накопленного заряда лежит в пределах от десятков микросекунд до единиц наносекунд, причем когда говорят об импульсных диодах, то обычно имеют в виду диоды, в которых длительность этого процесса менее 1 мкс.

Таким образом, рассасывание накопленного заряда определяет переходные процессы восстановления обратного сопротивления, наблюдаемые при переключении диода из прямого направления в обратное.

Накопление дырок в базе обусловливает также и другой переходный процесс – установление прямого сопротивления при переключении диода из нейтрального напряжения в прямое.

Если прямой ток столь значителен, что достигается высокий уровень инжекции, то концентрация подвижных носителей в области базы вблизи p–n-перехода начинает превышать (иногда очень значительно) концентрацию основных носителей, электронов, имевшуюся в ней до начала протекания прямого тока. Это приводит к уменьшению удельного сопротивления части полупроводника, происходит так называемая модуляция сопро-

тивления базы.

5.3.2. Переходные характеристики переключения

На рис. 5.10 представлена схема наиболее часто встречающегося на практике режима переключения и соответствующие осциллограммы (причем время переключения t3 0).

В течение времени t1 на p–n-переходе сохраняется напряжение, по знаку соответствующее прямому направлению. Величина этого напряжения за время t1 спадает от значения, которое было на p–n-переходе при протекании прямого тока плотности jпр , до нуля, а в дальнейшем меняет

свой знак на обратный и постепенно нарастает до значения, равного амплитуде импульсного обратного напряжения.

В течение времени t1 обратное сопротивление диода очень мало и в большинстве случаев его можно считать равным нулю.

На рис. 5.11 приведены графики, связывающие длительность постоянного обратного тока – «полочки» – с режимом переключения и радиусом полусферического p–n-перехода. Характерно, что при уменьшении радиуса

p–n-перехода длительность «полочки» убывает пропорционально r02 , то есть очень быстро. Для реальных точечных диодов длительность «полочки» t1 не превышает нескольких процентов от p .

43

u

Рис. 5.10. Схема переключения диода (а) и осциллограммы переходного процесса (б)

такт. Стабилизирующее влияние такого воздействия связано с тем, что, как твердо установлено многочисленными экспериментальными исследованиями, при электроформовке на электронном германии под острием иглы образуется небольшая по объему p-область, а следовательно, возникает и p–n-переход, электрические характеристики которого менее чувствительны к изменению окружающей среды, чем характеристики неформованного контакта.

44

Другим положительным свойством электроформовки является то, что с ее помощью удается направленно воздействовать на вид вольт-амперной характеристики точечного контакта.

По этим двум причинам технология всех существующих импульсных точечных диодов включает в себя в качестве обязательного и важнейшего элемента процесс электроформовки. Благодаря успехам диффузионной технологии некоторые типы плоскостных диодов смогли конкурировать с точечными по всем импульсным характеристикам и даже по емкости.

5.3.4. Сплавные диоды

Первые плоскостные полупроводниковые диоды изготавливались методом вплавления в исходный полупроводник сплавов, содержащих акцепторные и донорные примеси.

Как известно, в электронном германии и кремнии подвижность основных носителей заряда примерно в 2 – 2,5 раза больше, чем в дырочных полупроводниках. Вследствие этого при одинаковом удельном сопротивлении концентрация примесных атомов в электронных полупроводниках меньше, чем в дырочных, то есть полупроводники n-типа относительно «чище». Для p–n-переходов, полученных методом сплавления, характерно резкое различие величины электропроводности p- и n-областей, при этом всегда удельная электропроводность области полупроводника с измененным при сплавлении типом проводимости значительно больше, чем в исходном кристалле. Вследствие этого пробивное напряжение сплавных p–n-переходов однозначно определяется лишь концентрацией примесных донорных атомов ND в исходном полупроводнике.

Сплавные диоды из электронного полупроводника должны иметь в 1,5 раза большие пробивные напряжения, чем диоды, изготовленные из дырочного полупроводника такого же удельного сопротивления. Это положение подтверждается экспериментально во всех случаях, за исключением сверхвысоковольтных p–n-переходов, для которых определяющим становится пробой по поверхности.

При совершенствовании технологии кремниевых сплавных импульсных диодов были найдены простые методы снижения времени жизни дырок. Главнейшие из них заключаются в термозакалке кремния (выдержка при температуре 1 000 – 1 200 оС с последующим быстрым охлаждением), облучении его нейтронной радиацией, легировании золотом. Применение этих специальных мер по снижению времени жизни дырок позволяет изготавливать диоды со временем восстановления обратного сопротивления порядка десятых долей микросекунды.

Наиболее распространенным способом изготовления кремниевых сплавных p–n-переходов малой площади (до 0,5 – 1 мм2) является вплавле-

45