Варикапы

Варикапы — это диоды, используемые при обратном напряже­нии U_o6, когда проявляется только барьерная емкость С_бар (см. рис. 8.11, а, участок АБ и рис. 8.11, б).

Основные параметры варикапов: максимально допустимое обратное на­пряжение U_{o6 макс}; постоянный обратный ток Tog, который измеряют при на­пряжении U₀б _макс.

Специфические параметры варикапов: барьерная емкость С_в — емкость при заданном обратном напряжении смещения; коэффициент перекрытия по емкости К_с — отношение барьерной емкости варикапа к его емкости при U_{o6 М}акс (для варикапов различных типов К_с = 2,5—6); добротность варикапа Q_B как подстроечного конденсатора равна отношению его емкостного сопро­тивления к эквивалентному последовательному сопротивлению потерь.

В табл. 8.8 приведены характеристики некоторых варикапов.

Таблица 8.8 Характеристики варикапов

Тип	Емкость Св при Цб-4 В и 20 °С, пФ	Макси­мально до­пустимое обратное напряже­ние ^об.макс' В	Постоян­ный обрат­ный ток при U^ и 25 °С, не более, мкА	TKE10^6при = 4В, К"^1	Коэффи­циент перекры­тия по емкости	Доброт­ность QB при Ц* = 4В и 20 °С, не менее	Диапазон рабочей температу­ры окру­жающей среды, °С	Мощ­ность рассе­яния, мВт
Д901Б	22-32		1,0			30^1	-55-85
Д901В	28-38		1,0			25^1	-55-85
Д902	6-12			—	2,5	зо^1	-40-100	—
KB101A	160-240		1,0	—	—	12^2150^3	-10-55	—
KB102A	14-23		1,0	—	2,5	40^1	-40-85
KB102B	25-40		1,0	—	2,5	40^1	-40-85
KB 105 А	400-600				3,8	500^3	-60-100
KB110E	17-26		1,0	—	—	150^1	-60-125

Примечание. 1 — при 50 МГц, 2—10 МГц, 3 — 1 МГц.

Запорный слой может образовываться также и при контакте по­лупроводника с металлом в результате перераспределения между ними свободных носителей заряда и возникновения контактной раз­ности потенциалов U_K. Величина U_K определяется разностью работ выхода электрона в вакуум из металла А_м и полупроводника А_П. Об­разование запорного слоя зависит как от соотношения величин А_м и А_п, так и от типа проводимости. При А_м >А_П U_K = (А_м — А_п)/е, при А_П>А_М U_K = (A_n-A_M)/e.

Примером практического использования контакта полупроводник-ме- талл и образующегося при этом запорного слоя могут служить диоды Шотт- ки (отличаются от диодов с />-я-переходом лучшими частотными характери­стиками) и монокристаллические диоды (селеновые элементы, меднозакисные и другие для выпрямителей тока). Такой тип контакта широ­ко используется в элементах интегральных схем, выполняющих функции диодов, транзисторов, высокоомных резисторов, ограничителей тока и т. д. Эти запорные слои работают на основных носителях заряда, что обусловли­вает малое время релаксации зарядов и повышает быстродействие прибора.

Широкое применение для изготовления электронных приборов с р-п -переходом из простых полупроводников получили германий Ge и особенно кремний Si (см. гл. 9.2). Каждый из этих материалов имеет свои достоинства и недостатки. Например, у Ge сопротивле­ние «открытого» /ья-перехода почти вдвое меньше, чем у Si, а его производство и очистка сопряжены с меньшими технологическими трудностями. В то же время у Si /?-я-переход имеет меньшую собст­венную емкость и очень малый обратный ток до температуры 180 °С (из-за большой ширины 33) и может работать при более высоких температурах (в зависимости от степени очистки до 120—200 °С), чем германиевый (до 70 °С, так как /_прям увеличивается почти в 2 раза). Обратное допустимое напряжение кремниевого диода почти в 3 раза выше, чем у германиевого. Благодаря этому фактору при изготовле­нии полупроводниковых приборов предпочтение отдают кремнию.

8.7. ПРОБОЙ р-п-ПЕРЕХОДА

В реальных полупроводниковых приборах сильное электрическое поле оказывает влияние не только на удельную электропроводность материала, но в ряде случаев может приводить к пробою переходных контактных слоев, например р-п-переходов. Возможность влиять сильным электрическим полем на механизм пробоя переходных кон­тактных слоев (р-я-переходов) положена в основу принципа работы некоторых полупроводниковых приборов, например стабилитронов (см. 8.7.1) и варисторов (см. 8.7.2).

В р-п -переходах, как и в других переходных контактных слоях, критическое поле Е_кр, при котором начнет лавинообразно возрастать концентрация свободных носителей заряда, проявляется при более низком напряжении, чем в самих полупроводниках. Объясняется это тем, что сопротивление /?-я-перехода значительно больше сопротив­ления толщи полупроводника и поэтому на нем падает практически все напряжение. Толщина 5 р-п-перехода в различных полупровод­никовых приборах изменяется от 10~⁵ до 10~⁹ м. При 8 = 10~⁹ м и на­пряжении U = 1 В напряженность электрического поля достигает ко­лоссальных значений: Е = U/8 = 10⁹ В/м. Поэтому в тех случаях, когда эффекты, связанные с сильными полями (например, с пробо­ем /7-л-перехода), нежелательны, /?-я-переход следует делать доста­точно толстым. Например, в силовых диодах необходимым условием является то, что они должны выдерживать большое обратное напря­жение (U_o6 ~ 10⁵ В/м). Для этого достаточная толщина р-п-перехода у них составит 10~⁶ м. В приборах, основанных на явлениях в сильных
полях и связанных с пробоем р-п-перехода (туннельные диоды, стабилитроны), р-п-пе­реход должен быть тонким.

При некотором достаточно большом об­ратном напряжении U_o6, равном U_np, обрат­ный ток 7_об в /?-л-переходе резко возрастает при практически неизменном напряжении (рис. 8.12). Это явление называют пробоем р-п-перехода, а напряжение, при котором оно наступает, — напряжением пробоя U_np.

Состояние, при котором происходит электрический пробой р-п-перехода, является нормальным режимом работы некоторых по­лупроводниковых приборов, например стаби­литронов.

В зависимости от физических процессов, обусловливающих рез­кое возрастание обратного тока, различают четыре основных меха­низма пробоя р-п-перехода: туннельный, лавинный, тепловой и по­верхностный.

	О'	X
	1 1 1	У
J	2	\	' и

Рис. 8.12. Возможные виды пробоя /?-я-перехода: 1 — туннельный; 2 — ла­винный; 3 — тепловой

При туннельном (полевом) пробое обратный ток в /ья-переходе резко возрастает (см. рис. 8.12, кривая 7) в результате туннельно­го просачивания электронов из ВЗ р-области в ЗП п-области по­лупроводника. Туннелирование электронов происходит в том месте р-п -перехода, в котором в результате его неоднородности возникает наиболее высокая напряженность поля. Напряжение туннельного пробоя U_{np Tyн} зависит от концентрации легирующей акцепторной N_a и донорной N_a примеси и критической напряженности поля Е_кр, при которой происходит возрастание туннельного тока:

е_пеД

кр

U

пр.тун

2 q

(8.23)

где q — элементарный заряд, равный 1,6 Ю^-19 Кл.

Экспериментально установлено, что для кремния 7s_Kp~ 1,4- 10⁸ В/м, для германия Е_кр~ 3,7-10⁷ В/м. Для кремниевого /ья-перехода туннельный пробой имеет место при концентрации легирующей примеси больше ~10²⁴ м^-3 и напряжении меньше ~ 5 В. При значи­тельно более низкой концентрации легирующей примеси происхо­дит лавинный пробой. С ростом температуры A W 33 в кремнии и германии сужается. В связи с этим вероятность туннелирования электронов увеличивается, а напряжение туннельного пробоя сни­жается; при этом температурный коэффициент напряжения туннель­ного пробоя оказывается отрицательным.

Напряжение туннельного пробоя зависит не только от концен­трации легирующей примеси и величины Е_кр, но и от толщины р-п- перехода. Если переход достаточно тонкий, то уже при сравнительно

невысоком U_o6 напряженность поля достигает такого значения, при котором начинается туннелирование электронов сквозь /ья-переход, и наступает его пробой. С увеличением толщины /?-я-перехода веро­ятность туннельного просачивания электронов уменьшается и более вероятным становится лавинный пробой.

В основе лавинного пробоя лежит ударная ионизация электронами и дырками, механизм которой рассмотрен выше. С ростом напря­женности электрического поля интенсивность ударной ионизации сильно увеличивается и процесс размножения свободных носителей заряда (электронов и дырок) приобретает лавинный характер; в ре­зультате ток в /7-я-переходе неограниченно возрастает до теплового пробоя. Напряжение, при котором происходит этот процесс, называ­ется напряжением лавинного пробоя U_npлав /?-я-перехода. Его вели­чина имеет степенную зависимость от концентрации N легирующей примеси /?-я-перехода и A W 33 полупроводника. Для резкого р-п-пе­рехода, когда концентрации акцепторной N_a и донорной N_a приме­сей разные (N_a» #_д), имеет место:

^пр.лав - 60(АЖ/1 Д)» 1022) 0,75_? (₈.₂4)

где {7_прлав выражается в В, AW — в эВ, N — в м~³.

Эта формула может быть использована при проектировании р-п- переходов, поскольку она позволяет для полупроводникового мате­риала с заданными значениями AW 33 и U_upjiaB выбирать концентра­цию N легирующей примеси р-п-перехода. Напряжение лавинного пробоя с ростом температуры увеличивается, так как увеличивается рассеяние свободных носителей заряда на тепловых колебаниях ре­шетки. Для кремния относительный температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя составляет ~ 0,1 %/°С.

Таким образом, в области лавинного пробоя обратный ток с рос­том U_o6 очень резко (круто) возрастает (см. рис. 8.12, кривая 2). Этот эффект используют для стабилизации напряжения, а диоды, предна­значенные для работы в таком режиме, называют стабилитронами. Стабилитроны изготавливают из кремния, и в широком диапазоне рабочих токов у них (в отличие от германиевых) не возникает тепло­вого пробоя. Однако по мере увеличения обратного тока и мощности лавинный пробой может переходить в тепловой.

Тепловой пробой р-п-перехода, как правило, локализуется в неко­торых его «слабых» местах. Из-за неоднородности структуры р-п-пе­рехода и, следовательно, неоднородности протекающего через него обратного тока, а также неоднородности теплоотдачи в некоторых микрообластях р-п-перехода температура может превысить среднюю по переходу. Повышение температуры вызывает дальнейшее увели­чение обратного тока, что, в свою очередь, приводит к новому росту температуры в этих локальных микрообластях р-п-перехода и соот­ветственно росту обратного тока и т. д. В результате в этих локаль­ных микрообластях произойдет тепловое «шнурование» тока. Темпе­ратура в месте «шнурования» тока начнет лавинообразно возрастать и значительно превысит среднюю по кристаллу, что может привести к локальному разрушению р-п-перехода; произойдет тепловой про­бой (см. рис. 8.12, кривая 3). «Шнурование» тока сопровождается появлением разрывов на ВАХ диода. С ростом обратного тока на­пряжение пробоя на р-п -переходе сначала возрастает, а затем начи­нает уменьшаться (см. рис. 8.12, кривая 3). На обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротив­лением г_диф (см. формулу (8.26)). Тепловой пробой — необратимый процесс, доминирующий в полупроводниках с относительно узкой шириной 33, например у Ge.

Напряжение теплового пробоя U_nр>теп р-п-перехода определяется выражением

11_прлеп = (еаЛ/о)"¹, (8.25)

где е = 2,718; а — температурный коэффициент обратного тока /_об [а = ТК/_об = dI_o6/(I_o6dT)]; — тепловое сопротивление на участке р- п-переход—корпус диода; /₀ — величина обратного тока /_об при тем­пературе окружающей среды.

Таким образом, величина пробивного напряжения U_{np ren} при теп­ловом пробое /7-л-перехода определяется значениями a, R, и I₀, a также в значительной мере температурой окружающей среды.

Чтобы снизить вероятность возникновения теплового пробоя, значения a, R,, /₀ диода и температура окружающей среды не должны превышать соответствующих нормативных величин. Кроме того, при изготовлении диода необходимо получать равномерное распределе­ние плотности тока по всей площади /?-я-перехода. Это достигается путем использования исходного полупроводникового материала вы­сокой степени однородности. Чем меньше микронеоднородностей и других дефектов, тем выше U_{np ren} р-п-перехода. Особенно сильно, например у кремния, напряжение теплового пробоя снижают дефек­ты, представляющие собой скопления дислокаций. Дислокации яв­ляются центрами осаждения примеси и вдоль них повышены коэф­фициенты диффузии примеси.

Напряжение поверхностного пробоя определяется величиной за­ряда, локализующегося на поверхности полупроводника в месте вы­хода р-п -перехода наружу. Этот заряд может сильно изменить напря­женность электрического поля в /?-я-переходе и его ширину. В результате возрастет вероятность поверхностного пробоя р-п-пере­хода. С уменьшением ширины /?-я-перехода плотность заряда у по­верхности базы возрастает, что приводит к снижению напряже­ния поверхностного пробоя. При одной и той же величине заряда на поверхности напряжение поверхностного пробоя тем выше, чем больше диэлектрическая проницаемость среды, в которую помещен р-п-переход. По своей природе поверхностный пробой может быть туннельным, лавинным или тепловым.

Дата добавления: 2015-08-09