Быстрый поиск

Дипломная работа: Діоди

Вступ. 2

Розділ 1. Електрофізичні властивост напівпровідників. 3

1.1 Власні й домішкові напівпровідники. 3

1.2. Енергетичні діаграми напівпровідників. 6

1.3 Силові діоди. 11

Розділ 2. Загальні відомості про напівпровідникові розмикач струму. 13

Розділ 3. Основні типи напівпровідникових розмикачів струму. 18

3.1. Дрейфовий діод з різким відновленням. 18

3.2. SOS-діоди. 25

3.3. Розмикачі струму на основ карбіду кремнію. 30

Розділ 4. Промислові генератори імпульсів на основі ДДРВ й SOS-діодів. 32

Висновок. 35

Список використаної літератури. 41

Вступ

Для проведення досліджень в експериментальній фізиці широко використовують імпульсні джерела живлення для потужніх лазерів, прискорювачів заряджених частинок, рентгенівських апаратів. Але для створення таких імпульсних джерел живлення потрібно мати потужні перемикаючі пристрої, які б перемикали, із достатньо високою швидкістю джерела живлення із режиму накопичення енергії в режими розряду та навпаки. Такі перемикаючі пристрої повинні витримувати напруги порядку 103 - 106 В та струми густиною 102 - 105 А/см2 та мати можливість генерувати імпульси із частотою 104 Гц і вище. Таким параметрам відповідають певні типи напівпровідникових діодів.

У роботі розглянуто напівпровідникові діодні перемикач струму для потужньої наносекундної імпульсної техніки. Особливу увагу приділено дрейфовим діодам з різким відновленням ДДРВ та SOS – діодам. Перший тип діодів був запропонований і розроблений у Фізико-технічному інституті ім. А. Ф. Іоффе РАН, другий в Інституті електрофізики УрВ РАН. За допомогою ДДРВ вдається перемикати потужність до сотень мегаватів за наносекунду при щільності струму порядку 102 А/см2. SOS – діоди дозволяють перемикати потужності в кілька гігават за такі ж короткі часи при щільності струму більше 103 А/см2. Ще одною позитивною рисою таких напівпровідникових пристроїв є їх великий строк роботи.

Розробка генераторів потужних наносекундних імпульсів та напівпровідникових перемикачів струму сприятиме розвитку робіт з релятивістсько надвисокочастотної електроніки, широкополосної радіолокації, систем живлення лазерів, прискорювачів електронів.

Розділ 1. Електрофізичні властивості напівпровідників

Напівпровідниками речовини, що займають по величині питомо провідності проміжне положення між провідниками й діелектриками [1,2,3]. Ці речовини володіють як властивостями провідника, так і властивостями діелектрика. Разом з тим вони володіють рядом специфічних властивостей, що різко відрізняють їх від провідників і діелектриків, основним з яких сильна залежність питомої провідності від впливу зовнішніх факторів (температури, світла, електричного поля і т. п.). До напівпровідників відносяться елементи четвертої групи періодично таблиці Д. І. Менделєєва, а також хімічні сполуки елементів третьої й п'ято груп типу AIII BV (GaAs, InSb) і другої й шостої груп типу AII B VI (Cd, B, CdFe). Провідне місце серед напівпровідникових матеріалів, які використовуються у напівпровідниковій електроніці, займають кремній, германій й арсенід галію GaAs. Хоча у наш час у наукових установах ведеться пошук нових напівпровідникових матеріалів, розробляються органічні напівпровідники.

1.1 Власні й домішкові напівпровідники

Власними напівпровідниками або напівпровідниками типу i (від англійського intrinsic - власний) називаються чисті напівпровідники, що не містять домішок. Домішковими напівпровідникам називаються напівпровідники, що містять домішки, валентність яких відрізняється від валентності основних атомів. Вони підрозділяються на електронні й діркові. Власні напівпровідники мають кристалічну структуру, що характеризується періодичним розташуванням атомів у вузлах просторової кристалічної решітки. У такій решітці кожен атом взаємно пов'язаний із чотирма сусідніми атомами ковалентними зв'язками (мал. 1.1), у результаті яких відбувається усуспільнення валентних електронів й утворення стійких електронних оболонок, що складаються з восьми електронів. При температурі абсолютного нуля (T=0°K) всі валентні електрони перебувають у ковалентних зв'язках, отже, вільні носії заряду відсутні, напівпровідник подібний до діелектрика[2,3]. При підвищенні температури або при опроміненні напівпровідника світловою енергією, рентгенівським випромінюванням валентний електрон може вийти з ковалентного зв'язку й стати вільним носієм електричного заряду. При цьому ковалентний зв'язок стає дефектним, у ньому утвориться вільне (вакантне) місце, що може зайняти один з валентних електронів сусіднього зв'язку, у результаті чого вакантне місце переміститься до іншо пари атомів. Переміщення вакантного місця усередині кристалічної решітки можна розглядати як переміщення деякого фіктивного (віртуального) позитивного заряду, величина якого дорівнює заряду електрона. Такий позитивний заряд прийнято називати діркою.

Процес виникнення вільних електронів і дірок, обумовлений розривом ковалентних зв'язків, називається тепловою генерацією носіїв заряду. Його характеризують швидкістю генерації G, що визначає кількість пар носіїв заряду, що виникають в одиницю часу в одиниці об'єму напівпровідника. Швидкість генерації тим більше, чим вище температура й чим менша енергія, яка затрачується на розрив ковалентних зв'язків. Утворені в результат генерації електрони й дірки, перебуваючи в стані хаотичного теплового руху, через деякий час, середнє значення якого називається часом життя носіїв заряду, зустрічаються один з одним, у результаті чого відбувається відновлення ковалентних зв'язків. Цей процес називається рекомбінацією носіїв заряду й характеризується швидкістю рекомбінації R, що визначає кількість пар носіїв заряду, що зникають в одиницю часу в одиниці об'єму. Добуток швидкост генерації на час життя носіїв заряду визначає їхню концентрацію, тобто кількість електронів і дірок в одиниці об'єму. При незмінній температурі генераційно – рекомбінаційні процеси перебувають у динамічній рівновазі, тобто в одиницю часу народжується й зникає однакова кількість носіїв заряду (R=G). Ця умова називається законом рівноваги мас. Стан напівпровідника, коли R=G, називається рівноважним; у цьому стані у власному напівпровіднику встановлюються рівноважн концентрації електронів і дірок, які позначають ni й pi . Оскільки електрони й дірки генеруються парами, то виконується умова: ni=pi . При цьому напівпровідник залишається електрично нейтральним, тому що сумарний негативний заряд електронів компенсується сумарним позитивним зарядом дірок. Ця умова називається законом нейтральност заряду. Для знаходження концентрації носіїв струму запропонована формула:

(1.1)

При кімнатній температурі в кремнії ni=pi=1,4·1010 см-3, а в германії ni=pi=2,5·1013 см-3. Різниця в концентраціях пояснюється тим, що для розриву ковалентних зв’язків в кремнію потрібно більше витратити енергії, чим в германію. Із ростом температури, концентрація електронів та дірок зростає по експоненційному закону, що видно із (1.1.)

Електронним напівпровідником або напівпровідником типу n ( від латинського negative - негативний) називається напівпровідник, у кристалічній решітці якого крім основних (чотирьохвалентних) атомів утримуються домішкові п’ятивалентні атоми, які називають донорами. У такій кристалічній решітці чотири валентних електрони домішкового атома зайняті в ковалентних зв'язках, а п'ятий (“зайвий”) електрон не може вступити в нормальний ковалентний зв'язок і легко відокремлюється від домішкового атома, стаючи вільним носієм заряду. При цьому домішковий атом перетворюється в позитивний он. При кімнатній температурі практично вс домішкові атоми виявляються іонізованими. Поряд з іонізацією домішкових атомів в електронному напівпровіднику відбувається теплова генерація, у результаті яко утворюються вільні електрони й дірки, однак концентрація виникаючих у результаті генерації електронів і дірок значно менша за концентрацію вільних електронів, що утворяться при іонізац домішкових атомів, тому що енергія, необхідна для розриву ковалентних зв'язків, істотно більша енергії, затрачуваної на іонізацію домішкових атомів. Концентрація електронів в електронному напівпровіднику позначається nn, а концентрація дірок - pn. Електрони в цьому випадку є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.

Дірковим напівпровідником або напівпровідником типу p ( від латинського positive - позитивний) називається напівпровідник, у кристалічній решітці якого (рис. 1.4) утримуються домішкові тривалентні атоми, які називають акцепторами. У такій кристалічній решітці один з ковалентних зв'язків залишається незаповненим. Вільний зв'язок домішкового атома може заповнити електрон, що покинув один із сусідніх зв'язків. При цьому домішковий атом перетворюється в негативний іон, а на тому місці, звідки пішов електрон, виникає дірка. У дірковому напівпровіднику, також як й в електронному, відбувається теплова генерація носіїв заряду, але їхня концентрація в багато разів менша за концентрацію дірок, що утворюються в результаті іонізації акцепторів. Концентрація дірок у дірковому напівпровіднику позначається pp, вони є основними носіями заряду, а концентрація електронів позначається np, вони є неосновними носіями заряду.

1.2. Енергетичні діаграми напівпровідників

Відповідно до постулатів квантової фізики електрони в атомі можуть приймати строго визначен значення енергії або, як говорять, займати певні енергетичні рівні. При цьому, відповідно до принципу Паулі, у тому самому енергетичному стані не можуть перебувати одночасно не більше чим два електрони із протилежними спінами. Тверде тіло, яким є напівпровідниковий кристал, складається з безлічі атомів, які взаємодіють один з одним, завдяки малим міжатомним відстаням. Тому замість сукупност дозволених дискретних енергетичних рівнів, властивих окремому атому, тверде тіло характеризується сукупністю дозволених енергетичних зон, що складаються з великого числа близько розташованих енергетичних рівнів. Дозволені енергетичні зони розділені інтервалами енергій, якими електрони не можуть володіти і які називаються забороненими зонами. При температурі абсолютного нуля електрони заповнюють кілька нижніх енергетичних зон. Верхня із заповнених електронами дозволених зон називається валентною зоною, а наступна за нею незаповнена зона називається зоною провідності. У напівпровідників валентна зона й зона провідності розділені забороненою зоною. При нагріванні речовини електронам надається додаткова енергія й вони переходять із енергетичних рівнів валентної зони на більше високі енергетичні рівні зони провідності. У провідниках для здійснення таких переходів потрібна незначна енергія, тому провідники характеризуються високою концентрацією вільних електронів (порядку 1022 см-3). У напівпровідниках для того, щоб електрони змогли перейти з валентної зони в зону провідності, їм повинна бути надана енергія не менша за ширину забороненої зони. Це і є та енергія , що необхідна для розриву ковалентних зв'язків. Енергетичні діаграми власного електронного й діркового напівпровідників, на яких за допомогою EC позначена нижня границя зони провідності, а через EV верхня границя валентної зони. Ширина забороненої зони ΔEз= Ec- Ev. У кремнію вона дорівнює 1,1 еВ, у германію - 0,7 еВ.

З погляду зонної теорії під генерацією вільних носіїв заряду слід розуміти перехід електронів з валентної зони в зону провідності (мал. 1.5,а). У результаті таких переходів у валентній зоні з'являються вільні енергетичн рівні, відсутність електронів на яких слід трактувати як наявність на них фіктивних зарядів - дірок. Перехід електронів із зони провідності у валентну зону слід трактувати як рекомбінацію рухомих носіїв заряду. Чим ширша заборонена зона, тим менше електронів здатно перейти через неї. Цим пояснюється більше висока концентрація електронів і дірок у германію в порівнянні із кремнієм. В електронному напівпровіднику (рис. 1.5,б) за рахунок наявності п’ятивалентних домішок у межах забороненої зони поблизу дна зони провідності з'являються дозволені рівні енергії ED. Оскільки один домішковий атом припадає приблизно на 106 атомів основної речовини, то домішкові атоми практично не взаємодіють один з одним. Тому домішкові рівні не утворюють енергетичну зону і їх зображують як один локальний енергетичний рівень ЕD, на якому перебувають "зайві" електрони домішкових атомів, не зайняті в ковалентні зв’язках. Енергетичний інтервал ΔEи= Ec-ED називається енергією іонізації. Величина цієї енергії для різних п’ятивалентних домішок лежить у межах від 0,01 до 0,05 еВ, тому "зайві" електрони легко переходять у зону провідності.

У дірковому напівпровіднику введення тривалентних домішок веде до появи дозволених рівнів ЕA (pис.1.5, в), які заповнюються електронами, що переходять на нього з валентної зони, у результаті чого утворюються дірки. Перехід електронів з валентної зони в зону провідності вимагає більших витрат енергії, чим перехід на рівні акцепторів, тому концентрація електронів np виявляється менше концентрації ni, а концентрацію дыpок pp можна вважати приблизно рівною концентрац акцепторів NA.

1.2. P-N перехід як основа напівпровідникових діодів і

транзисторів

В основі більшості напівпровідникових діодів і транзисторів лежить контакт двох напівпровідників з різним типом електропровідності. Такий контакт називають електронно-дірковим переходом або p-n-переходом. Він може бути отриманий, наприклад, шляхом дифузії донорної домішки в напівпровідник p-типу. Структура p-n-переходу зображена на рис. 1.6,а. Включений в електричний ланцюг p-n-перехід має однобічну провідність, тобто його вольтамперна характеристика нелінійна. Будемо вважати, що концентрація легуючої домішки в областях n- p- типу розподілена рівномірно, причому концентрація донорної домішки ND в n-напівпровіднику значно більша, ніж концентрація акцепторної домішки NA в p- напівпровіднику (ND>>NA). Назвемо n-область з більшою концентрацією домішки емітером, а p-область з меншою концентрацією домішки базою. Це допущення дозволяє вважати, що повний струм через p-n-перехід визначається переважно електронною складовою. Діркова складова струму через p-n-перехід мала й нею можна знехтувати. Можна вважати, що зовнішні контакти до структури ( вони по своїй природ повинні мати двосторонню провідність із дуже малим опором ) вилучені від контакту на відстань, що значно перевищує дифузійну довжину електронів Ln у базі й дірок Lp в емітері. Коефіцієнт дифузії електронів в напівпровіднику можна визначити за допомогою формули:

(1.2)

Коефіцієнт дифуз залежить від зміни температури і дану зміну описує формула:

(1.3)

Тоді дифузійна довжина руху електронів складе:

(1.4)

Це допущення дозволяє вважати, що p-n-перехід локалізований поблизу границі x0. Позначимо границі p-n-переходу через xn й xp. Розподіл концентрації електронів уздовж осі x. Оскільки концентрація електронів в n-напівпровіднику nn (основні носії заряду) значно перевищує концентрацію електронів в p-напівпровіднику np (неосновні носії заряду), то в площині контакту виникає дифузія електронів з n-області в p-область. Аналогічні міркування приводять до дифузії дірок з p-області в n-область. У такий спосіб через p-n-перехід протікають дифузійні потоки основних носіїв заряду. Ідучи з напівпровідника n-типу, електрони залишають у приконтактній області n-напівпровідника нескомпенсований позитивний нерухомий заряд іонів донорів QD+. Аналогічно в приконтактной області p-напівпровідника з'являється рівний по величині нескомпенсований негативний нерухомий заряд іонів акцепторів QA-. У такий спосіб в області контакту з'являється електричне поле локалізоване поблизу границі x0. Будемо характеризувати його контактною різницею потенціалів φK0. Утворене поле перешкоджає руху основних носіїв через перехід й є причиною появи зустрічного дрейфового руху електронів з p-област в n-область. Таким чином, потоки неосновних носіїв заряду по своїй природі є дрейфовими. При зростанн концентрації легуючих домішок ND й NA контактна різниця потенціалів зростає , а ширина p-n-переходу зменшується. Необхідно відзначити, що область p-n-переходу збіднена рухомими носіями заряду, тому що будь-який виникший у цій област або потрапивший в неї рухомий заряд виштовхується з області переходу електричним полем. Тому опір p-n-переходу значно вище, ніж опір n- і p- областей. Для основних носіїв заряду це поле створює потенційний бар'єр, а, отже, величина потоку основних носіїв заряду через перехід залежить від величин цього бар'єра. Для неосновних носіїв заряду поле в переході створює потенційну яму, а, отже, потік неосновних носіїв заряду не буде залежати від глибини потенційної ями: всі електрони (неосновні носії), що з'явилися в краю потенційної ями, упадуть у неї. Поле в p-n-переход можна змінити шляхом подачі на структуру зовнішньої напруги. Якщо полярність зовнішньої напруги спрямована проти поля в переході, то гальмуюче для основних носіїв заряду поле в переході ( або потенційний бар'єр), зменшується, і потік основних носіїв заряду через p-n-перехід збільшується й значно перевищу снуючий потік неосновних носіїв. Така напруга на p-n-переході називається прямою. При прямій напрузі прямий струм визначається потоком основних носіїв заряду й при прямому струмі nn >> pp , то дірковою складовою прямого струму можна знехтувати. При зворотній напрузі зворотний струм визначається потоком неосновних носіїв заряду; оскільки pp >> nn.