ダイオードの拡散とバリア容量。半導体の性質。拡散能力。 p-n接合のボルトアンペア特性

半導体ダイオードは、新しいキャリア分布がすぐには確立されないため、電流または電圧の十分に速い変化に対して不活性です。知られているように、外部電圧は接合部の幅を変化させ、したがって接合部の空間電荷の大きさを変化させます。さらに、注入または抽出中に、ベース領域の電荷が変化します（エミッターの電荷の役割は重要ではありません）。したがって、ダイオードには、p-n接合と並列に接続されていると見なすことができる容量があります。この容量は、次の2つのコンポーネントに分けることができます。 バリア容量、移行中の料金の再配分を反映し、 拡散能力、ベースでの電荷の再分配を反映しています。このような除算は一般に条件付きですが、印加電圧の極性が異なると両方の静電容量の比率が異なるため、実際には便利です。順方向電圧では、主な役割はベース内の過剰な電荷によって、したがって拡散容量によって果たされます。電圧を逆にすると、ベースの過剰電荷が小さくなり、バリア容量が主な役割を果たします。両方の容量が線形ではないことに事前に注意してください。拡散容量は順方向電流に依存し、バリア容量は逆方向電圧に依存します。

遷移を非対称型n + -pと見なして、バリア容量の値を決定しましょう。次に、p型塩基の負電荷の範囲は、遷移の幅全体に等しいと見なすことができます。この料金のモジュールを書いてみましょう：

ここで、Nは塩基中の不純物濃度です。 S-遷移領域。同じ（しかし正の）電荷がエミッター層にあります。

これらの電荷が架空のコンデンサのプレート上にあると想像してください。その静電容量は次のように定義できます。

逆スイッチング中の遷移の幅の式を考慮し、電圧に関して電荷Qを微分すると、最終的に次のようになります。

(7.10)

ここで、およびはそれぞれ、平衡状態のポテンシャル障壁の幅と高さです。

ダイオードには静電容量があることを念頭に置いて、交流用の完全な等価回路を作成できます（図3.10a）。

この回路の抵抗R0は、n領域とp領域の比較的小さな抵抗の合計と、これらの領域とリード線との接触を表しています。直接接続された非線形抵抗Rnlは、R prに等しくなります。は小さく、逆電圧ではR nl = R arr、つまりそれは非常に大きいです。さまざまな周波数の場合の与えられた等価回路は単純化することができます。低周波数では、静電容量が非常に大きく、静電容量は無視できます。次に、順方向バイアスを使用すると、抵抗R0とRprのみが等価回路に残ります（図7.5b）。

図7.5b。図7.5c。

逆電圧の場合-R0なので、抵抗Rarrのみ<< R обр (рис.7.5в).

高周波では、静電容量の抵抗は比較的小さくなります。したがって、順方向電圧を使用すると、図7.5dに従って回路が得られます（周波数がそれほど高くない場合、C diffは実質的に効果がありません）。

図7.5d。図7.5e。

反対の場合、RarrとCbは残ります（図7.5e）。

ダイオードの端子間にはまだ静電容量Cがあり、非常に高い周波数でダイオードを大幅にシャントする可能性があることに注意してください。リード線のインダクタンスも電子レンジに現れる可能性があります。

ダイオードの分類。

ダイオードの分類は主に次のように実行されます。

1）電気接合とダイオード構造を作成するための技術的方法について

2）ダイオードの機能に応じて。

製造技術によれば、ダイオードは点状および平面状にすることができます。ポイントダイオードの主な特徴：p-n接合領域が小さく、容量が小さく（1pF未満）、電流が小さい（1または数十mA以下）。マイクロ波までの高周波で使用されます。技術：アクセプター不純物（ゲルマニウム-インジウムの場合、シリコン-アルミニウムの場合）でコーティングされたタングステンフィラメントを、大電流パルスを使用してn型ゲルマニウムまたはn型シリコンのプレートに溶接します。

平面ダイオード：製造技術は、融着または拡散のいずれかです。融着するとき、アルミニウムなどの金属アクセプター材料の錠剤が、半導体がシリコンである場合、通常はｎ型である半導体ウェーハの洗浄された表面上に置かれる。 600〜700℃に加熱すると、隣接するシリコン層が溶融して溶解し、その融点ははるかに高くなります。プレートの表面近くで冷却した後、アルミニウムで飽和したp +タイプのシリコン層（pタイプのエミッター、nタイプのベース）。拡散：不純物原子は通常、高温（約1000 0）でガス状媒体からその表面を通って半導体プレートに入り、拡散によって深さ方向に伝播します。熱移動。このプロセスは、プロセスの温度と時間が高精度に維持される特殊な拡散炉で実行されます。時間と温度が長ければ長いほど、不純物がプレートの深さに浸透します。拡散pn接合は平坦であることがわかり、その面積は大きく、元のプレートの面積と等しく、動作電流は数十アンペアに達します。

実行される機能に応じて、整流器、パルス、コンバータ、スイッチング、検出ダイオード、ツェナーダイオード、バリキャップなどが区別されます。個別のクラスのダイオードは、動作周波数範囲（低周波数、高周波、マイクロ波ダイオード、光範囲のダイオード）に応じてサブクラスに細分することができます。ダイオードは半導体材料によっても区別されます。シリコンが最も広く使用されており、以前は一般的なゲルマニウムに取って代わりました。シリコンダイオードの最大動作温度は高く（Si --125 ... 150 0 C、Ge --70 ... 80 0 C）、逆電流は数桁低くなります。シリコンダイオードよりもパラメータが優れているガリウムヒ素ダイオード（特に金属半導体ダイオード）の数は増え続けています。

いくつかのタイプのダイオードとその主なパラメータを検討してください。

1.整流器の低周波ダイオード。それらはAC電源で使用されます。

ダイオードの主な電気的パラメータは、特定のIex.avgでのUex.avgの値と、逆電圧（U arr.max）の特定の振幅（最大）値でのIarr.avgです。期間の順方向電圧と逆方向電流の値）。最も一般的なpn接合を備えたシリコンダイオードの場合、Uave.avはT \ u003d 20°Cで1..1.5Vを超えません。温度が上昇すると、この値は減少し、TKNは順方向の値に依存します。現在; 電流の増加とともに減少し、大電流では正になることさえあります。 T = 20℃でのシリコンダイオードの逆電流は、原則として、10分の1μAを超えず、温度の上昇とともに増加します（倍増温度は約10℃です）。 T = 20 0 Cでは、逆電流は無視できます。シリコンダイオードの絶縁破壊電圧は数百ボルトで、温度の上昇とともに増加します。

金属-半導体接合を備えたシリコンダイオードの順方向電圧は、p-n接合を備えたダイオードの約2分の1です。また、逆電流はやや大きく、温度に強く依存し、6..80Сごとに2倍になります。

ダイオードの種類を選択する際には、最大許容整流電流、逆電圧、および温度が考慮されます。許容電流に応じて、小さいダイオード（<300мА), средней (<1А) и большой (>10A）電力。制限逆電圧は、遷移のブレークダウンによって制限され、50〜1500Vの範囲にあります。許容逆電圧を上げるために、ダイオードは直列に接続されています。直列に接続され、単一の技術サイクルで製造され、共通のハウジングに封入されたいくつかのダイオードは、整流極と呼ばれます。シリコンダイオードの最高動作温度は125..500°Cに達し、逆電流の増加によって制限されます。

小さなp-n接合面積（1 mm 2未満）の低電力ダイオードは、拡散によって大きな面積の高電力ダイオードを融合することによって作成されます。 p-n接合を備えたパワーダイオードは、通常1 kHz以下の周波数で動作し、金属-半導体接合を備えたダイオードは、数百kHzまでの周波数で動作します。

ゲルマニウムダイオードの順方向電圧は、バンドギャップが小さいため、シリコンダイオードの約1.5..2分の1（通常は0.5 V以下）です。これは主に、ベース抵抗の両端の電圧降下（この場合はTC U pr> 0）によって決まります。 T = 20℃での逆電流は、シリコンダイオードよりも2..3桁大きく、温度に強く依存します。これに関連して、8°Cごとに2倍になり、最大動作温度ははるかに低くなります（70 ... 80°C）。

熱破壊メカニズムは、ゲルマニウムダイオードが短期間のインパルス過負荷でも故障するという事実につながります。これは重大な欠点です。降伏電圧は温度の上昇とともに低下します。

接合面積が小さいため、高周波ダイオードの最大許容直流電流は小さく（通常100mA未満）、絶縁破壊電圧は原則として100Vを超えません。

3. パルスダイオード。パルスモードでの動作用に設計されています。パルス信号、キーおよびデジタル回路の形成と変換のためのデバイスで。

パルスダイオードの最も重要なパラメータは、逆抵抗の回復時間です。これは、ダイオードを特定の順方向電流ICRの状態から特定の逆方向電圧Uarrの状態に切り替える遷移プロセスを特徴づけます。図7.6に、ダイオードを流れる電圧と電流のタイミング図を示します。

回復時間tは、ダイオードの電圧が直接から逆に変化した瞬間t 1から、逆電圧が0.1prの値に達する瞬間t2までカウントされます。瞬間t1）、および再充電のプロセスバリア容量。スイッチングダイオードでは、回復時間をできるだけ短くする必要があります。 p-n接合を備えたシリコンダイオードに金がドープされているベースの少数キャリアの寿命を縮める必要があります。しかし、シリコンダイオードの場合、1ns未満のオーダーの回復時間を得ることはできません。ガリウムヒ素では、寿命はシリコンよりもはるかに短く、p-n接合を備えたダイオードでは、0.1nsのオーダーのtresを得ることができます。バリア容量の低減は、遷移領域を低減することによって実現されます。最短の回復時間（t re<0.1нс) имеют диоды с переходом металл-полупроводник, в которых отсутствует накопление неосновных носителей при протекании прямого тока. В них время восстановления порядка C б r б определяется процессом перезаряда барьерной емкости перехода через сопротивление базы.

すべてのパルスダイオードについて、静電容量は、測定に使用されるAC信号の特定の逆電圧と周波数で指定されます。最小静電容量値は0.1…1pFです。

パルスダイオードの特定のパラメータには、最大パルス逆電流Irev.i.maxと最大インパルス抵抗rpr.i.maxが含まれます。これは、順方向電流に対する確立プロセスの最大順方向電圧の比率に等しくなります。これらの量の値をできるだけ小さくすることが望ましいです。

パルスダイオードの場合、回路内の電流と電圧の定常状態値を決定する静的パラメータも重要です。これらには、特定の順方向電流での順方向電圧と特定の逆方向電圧での逆方向電流が含まれます。

4. ツェナーダイオード。ツェナーダイオードは、回路の電圧を安定させるために設計された半導体ダイオードです。ツェナーダイオードは、電源、リミッター、レベルクランプ、電圧リファレンス、およびその他のデバイスで使用されます。ツェナーダイオードの動作原理は、p-n接合でのアバランシェまたはトンネルブレークダウンの使用に基づいています。図7.7は、逆電圧のツェナーダイオードの典型的なボルトアンペア特性を示しています。

ブレークダウンセクション（CVCの動作セクション）では、電圧は電流に非常に弱く依存します。動作電流Ist.minの最小値は、I–V特性の「垂直」セクションの始まりに対応し、小さな差動抵抗r diff =ΔU/ΔIが達成されます。最大電流Ist.maxは、許容消費電力によって決まります。主なパラメータは安定化電圧Ustであり、これは実質的に絶縁破壊電圧に等しく、作業領域の電流Istの特定の値に設定されます。

ツェナーダイオードのスイッチング回路を図7.8に示します。

ここで、Rogrは制限抵抗です。 R n-負荷抵抗、U n \ u003d Ustの電圧。制限抵抗を流れる電流はI \ u003d（EU st）/ R ogrであり、ツェナーダイオードを流れる電流I st \ u003d II nです。ここで、I n \ u003d U st / R nは、動作点に対応します。図3.11のc。電源電圧が公称値から少し外れると、ツェナーダイオードを流れる電流はr diffでΔIst=ΔE）/ R限界だけ変化します。<<(R огр ││ R н) и рабочая точка перемещается в пределах участка C ’ C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину

(7.11)

負荷電流が変化した場合したがって、ΔInの値に対する負荷、次にツェナーダイオードを流れる電流およびΔU\u003d--rdiffΔInはほぼ同じように変化します。「-」記号は、負荷電流が増加するとツェナーダイオード電流が減少することを意味します。良好な安定性を得るには、差動抵抗をできるだけ低くする必要があります。

p-n接合の絶縁破壊電圧は、塩基性不純物の濃度が高くなると低下します。さまざまなタイプのデバイスの場合、U stは3〜200Vになります。

温度の影響は、TKNの安定化電圧の温度係数によって推定されます。これは、温度の1度の変化に伴う電圧Ustの変化を特徴づけます。

(7.12)

電圧温度係数は10-5から10-3 K-1の範囲です。 U物品の値とTKNの符号は、主半導体の抵抗率に依存します。最大7Vの電圧用のツェナーダイオードは、抵抗率の低いシリコンでできています。不純物の濃度が高い。これらのツェナーダイオードでは、p-n接合の厚みが薄く、強度の高い電界が作用し、主にトンネル効果によりブレークダウンが発生します。この場合、TKNは負であることがわかります。不純物濃度の低いシリコンを使用すると、p-n接合が厚くなります。その破壊はより高い電圧で発生し、アバランシェです。このようなツェナーダイオードは、正のTKNを特徴としています。

高電圧ツェナーダイオードの安定化の温度係数は、熱安定化を使用して1〜2桁減らすことができます。これを行うには、ツェナーダイオードの逆接続されたp-n接合を、順方向に接続された1つまたは2つのp-n接合と直列に接続します。 p-n接合の順方向電圧は温度の上昇とともに低下することが知られており、これが降伏電圧の上昇を補償します。このような熱補償されたツェナーダイオードは、精度と呼ばれます。それらは基準電圧源として使用されます。

ほとんどの場合、ツェナーダイオードは、電源電圧が不安定で、負荷抵抗R nが一定の場合、このようなモードで動作します。この場合、正しい安定化モードを確立して維持するには、抵抗R制限に特定の値を設定する必要があります。通常、R ogrは、ツェナーダイオードの特性を使用して中点に対して計算されます。電圧EがEminからEmaxに変化する場合、R制限は次の式を使用して求めることができます。

(7.13)

ここで、E cf \ u003d 0.5（E min + E max）-ソースの平均電圧。

I cf \ u003d 0.5（I min + I max）-ツェナーダイオードの平均電流。

I n \ u003d U st / Rn-負荷電流。

電圧Eが一方向または別の方向に変化し始めると、ツェナーダイオードの電流は変化しますが、ツェナーダイオードの電圧、したがって負荷の電圧はほぼ一定になります。ソース電圧のすべての変化は制限抵抗によって吸収される必要があるため、E max-E minに等しいこの電圧の最大の変化は、安定化が維持される電流の可能な最大の変化に対応する必要があります。最大-最小したがって、Eの値がΔEだけ変化すると、安定化は条件が

2番目に可能な安定化モードはE = constの場合に使用され、RnはRnminからRnmaxまで変化します。このようなレジームの場合、R制限は、式に従って電流の平均値から決定できます

(7.15)

I n cf \ u003d 0.5（I n min + I n max）、およびI n min \ u003d U st / R nmaxおよびIn max \ u003d U st / R nmin。

より安定した電圧を得るために、同じ電流用に設計されたツェナーダイオードの直列接続が使用されます。

5. バリキャップ。ダイオードはバリキャップと呼ばれ、その動作原理は、p-n接合のバリア容量の逆電圧への依存性に基づいています。この上。バリキャップは可変容量のコンデンサであり、機械的ではなく電気的に制御されます。逆電圧変化。それらは、発振回路の周波数調整回路、周波数分割および乗算、周波数変調、制御された移相器などで電気的に制御された静電容量を持つ要素として使用されます。

バリキャップをオンにして発振回路の周波数を調整するための最も簡単な回路を図7.9に示します。

制御電圧Uは、高抵抗抵抗Rを介してバリキャップVDに印加されます。これにより、電圧源によるバリキャップと発振回路のシャントが減少します。インダクタンス素子を流れる直流電流を除去するために、発振回路は大容量の分離コンデンサCpを介してバリキャップと並列に接続されています。逆電圧の大きさを変更し、その結果、バリキャップの静電容量と振動回路の総静電容量を変更することにより、後者の共振周波数が変更されます。

バリキャップを製造するための主な半導体材料はシリコンであり、ガリウムヒ素も使用されているため、ベース抵抗が低くなっています。

バリキャップの電気的パラメータには、所定の周波数で測定された公称、最大、および最小電圧での静電容量、静電容量のオーバーラップ係数、品質係数、周波数範囲、静電容量の温度係数、および品質係数が含まれます。さまざまな種類のバリキャップでは、公称静電容量は数単位から数百ピコファラッドの範囲になります。

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講義コーステクニカルエレクトロニクス

講義1

前書き

本当の情報化社会（人口の50％以上が情報の収集、保存、分析、再配布、提示、配信に従事している社会）は、20年の終わりに発生しました。 th 世紀、最初は米国で、次に半導体デバイス（ダイオード、トランジスタ）の開発のおかげで地球の他の地域で 1 ）およびその後の集積回路（IC）の小型化。このような社会では、インターネット、ソフトウェア製品、映画、メディアの普及からわかるように、主な消費財は情報です。

半導体デバイスは、主にシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素などの半導体材料で作成され、シリコンデバイスはすべての半導体デバイスの約97％を占めています。

1.半導体の性質

1.1一般

半導体 -特定の導電率において、導体と誘電体の中間の位置を占め、不純物濃度、温度、およびさまざまな種類の放射線への曝露に対する特定の導電率の強い依存性が導体とは異なる材料。半導体の主な特性は増加温度上昇に伴う電気伝導率。

で見つかった最後のプロパティ XIX 世紀、それは古典的な物理学の観点から理解できませんでした、そこでは電子は固体の結晶格子を通ってそのような粒子の電気の流れ（電流）の形で電荷を運ぶ荷電粒子として表され、その抵抗を経験しました格子原子の振動骨格による動き。さらに、抵抗は、半導体のように結晶格子の原子の振動が増加するため、温度の上昇とともに増加するはずであり、その逆ではありません。

しかし、1926年にマイクロワールド（原子とその組み合わせ）を記述するための新しい理論として量子力学が形式化されると、状況は明らかになり始めました。量子力学によれば、原子内の電子は波動特性を持ち、その振る舞いは波動方程式（シュレディンガー方程式）で記述され、そのエネルギーは原子とのクーロン相互作用によって「電子波」に課せられる境界条件に依存していました。核。この状況は、楽器のフレットボードに一定の張力で固定された弦の振動に似ています。この場合、弦には特定の振動周波数（トーン、倍音）があり、張力（境界条件）のみに依存します。他の周波数（したがってエネルギー）は、インストールされたシステムでは実現できません。原子の場合、これは、原子内の電子、したがって原子自体が、許可されたエネルギー（状態）と禁止されたエネルギーの厳密なスペクトルを持っていることを意味します。そのような原子が固体の格子に結合される場合、原子の種類と格子の種類に応じて、結果として得られる集合は、電子によって取得することはできず、から切り離されても、禁止されたエネルギー状態の存在によって特徴付けることができます格子の特定の原子。言い換えれば、電子が電場内を移動するためには、電子が原子から離れて、バンドギャップに等しいエネルギー障壁を克服する必要があります。絶縁体では、そのようなゾーンは非常に大きく（数十電子ボルト）、金属では、そのようなゾーンは完全に存在しません。

半導体は、バンドギャップが数電子ボルト（eV）のオーダーである物質です。たとえば、ダイヤモンドはワイドギャップ半導体として分類できますが、ヒ化インジウムはナローギャップ半導体として分類できます。半導体には、多くの化学元素（ゲルマニウム、シリコン、セレン、テルル、ヒ素など）、膨大な数の合金および化合物（ガリウムヒ素など）が含まれます。私たちの周りの世界のほとんどすべての無機物質は半導体です。自然界で最も一般的な半導体はシリコンであり、これは地球の地殻のほぼ30％を占めています。

半導体の導電率は温度に大きく依存します。絶対零度の温度近くで、半導体は誘電体の特性を持っています。温度が上昇すると、一部の原子（原子内の電子）は、格子に結合するエネルギーを超えるエネルギーを受け取ることができ、エネルギー障壁を乗り越えて、電荷キャリアが格子内を移動し、特定の導電率を生み出すことができます。温度が上昇すると、そのようなキャリアの数が増加し、導電率も増加します。さらに、自由キャリアの濃度の温度依存性は指数関数的です、および指数はバンドギャップです。このように、量子力学は半導体の性質を説明しました。

バンドギャップは、伝導帯E間のエネルギー座標にあります。 2秒（電子が移動できるエネルギー領域）と価電子帯E v （すべての電子が格子の原子に結合し、格子に沿って移動できないエネルギー領域）、E間のエネルギー差によって決定されます cおよびEv 、、すなわち E g = E c-E v 、図1.1に示すように、Eの値が増加すると、 g 原子に関連するが、ポテンシャル障壁を克服するためにエネルギーを受け取ることができる電子の数E gが減少します。

シリコン値の場合例えば室温で1.1eV、ゲルマニウムの場合-0.6 eV、ガリウムヒ素（ GaAs）-1.5 "eV。

電子と原子核の結合が切断されると、原子の電子殻に自由空間が現れます。これにより、別の原子から自由空間のある原子に電子が移動します。電子が通過した原子は、別の原子から別の電子に入るなどです。このプロセスは、原子の共有結合によって決定されます。したがって、原子自体を動かすことなく、正電荷の動きがあります。この条件付きの正電荷はホールと呼ばれます。価電子帯の電子の集合の状態の変化は、有効質量のある正電荷の動きとして表すことができると言えます。 mp。

伝導帯の自由電子のセットは、結晶の外面によって形成された容器に封入された電子ガスに例えることができます。このような容器内の電子の特性は、自由空間内の電子の特性（真空）とは異なります。これは、このような「容器」内に多くの不動の原子（格子ノード）が存在するためです。これらの違いの1つは、「容器」内の電子の運動（力の作用下でのキャリアの運動-電界）のダイナミクスは、真空中の電子の運動とは異なる質量によって特徴付けられることです。、および有効質量と呼ばれます自分、これは真空中の電子の質量よりも小さいです。

結晶全体を構成する原子のイオン化の過程で自由電子と「正孔」が現れる半導体は、自分の導電率。固有の導電率を持つ半導体では、自由電子の濃度は「正孔」の濃度に等しくなります。このような半導体は、半導体デバイスの製造に使用されることはめったにありません。

結晶は、半導体デバイスの作成によく使用されます。不純物導電率。このような結晶は、3価または5価の化学元素の原子で不純物を導入することによって作られます。５価の半導体（例えば、ヒ素）の不純物が４価の半導体（例えば、シリコン）に加えられる。相互作用の過程で、各不純物原子はシリコン原子と共有結合に入ります。しかし、飽和原子価結合にあるヒ素原子の5番目の電子の場所はなく、遠方の電子殻を通過します。そこでは、原子から電子を切り離すために必要なエネルギー量は少なくなります。電子は壊れて自由になります。この場合、電荷移動は正孔ではなく電子によって行われます。つまり、このタイプの半導体は金属のように電流を流します。半導体に添加された不純物は、その結果としてn型半導体になります。ドナー。三価元素（例えば、ホウ素）の少量の原子が四価半導体に加えられる場合。各不純物原子は、3つの隣接するシリコン原子との共有結合を確立します。 4番目のシリコン原子との結合を確立するために、ホウ素原子は価電子を持たないため、隣接するシリコン原子間の共有結合から価電子を捕獲し、負に帯電したイオンになり、その結果、正孔が形成されます。。この場合に添加される不純物は、アクセプター

不純物原子はシリコン格子内で異質であり、格子の秩序構造の欠陥であり、バンドギャップ内の許容エネルギー状態として現れ、不純物レベルとして定義されます。ドナーレベルは、電子で満たされている場合は中性であり、空の場合（不純物原子がイオン化されている場合）は正に帯電していると定義されます。アクセプターレベルは、空の場合は中性であり、電子で満たされている場合は負に帯電しています。

ドナーレベルからの電子の放出またはアクセプターレベルによる電子の捕獲には、追加のエネルギーが必要であるため、原則として、対応する原子は室温でイオン化されます。これにより、主にそのような自由キャリアの濃度が決まります。半導体。この状況は、ドナーレベルが伝導帯Eの端に非常に近いことを示しています。とまた、価電子帯Eの端に近いアクセプターレベルの位置 v 。この場合、「小さな」レベルについて話します。それらの活性化エネルギーは、価電子帯Eの電子の活性化エネルギーよりもはるかに小さいです。 g。

不純物中心が多く、すべてが室温でイオン化されている場合、そのような半導体のほとんどすべての温度での電気伝導率は、「不純物」のものよりも少ないため、実質的に固有のキャリアの生成に依存しません。。そのような半導体は（電気伝導率の意味で）金属のように振る舞い、それについて彼らは話します縮退半導体。

講義2

半導体特性

2.1キャリア濃度

許可されたゾーンには、膨大な数のレベル（10 22-10 23）cm -3 それぞれに電子を含めることができます。許容帯域内の実際の電子数は、ドナーの濃度と温度によって異なります。半導体の実際のキャリア濃度を推定するには、レベルの分布とこれらのレベルを満たす確率を知る必要があります。

キャリア濃度の低い半導体（従来の半導体）の場合、確率 F n 伝導帯のエネルギーEでレベルを埋めることは、マクスウェル-ボルツマン分布によって与えられます。

, (2.1)

ここで、EFはフェルミエネルギー3です。（または電気化学ポテンシャル）。これは、エネルギーレベル、1/2に等しい充填確率として特徴付けることができます。（フェルミ準位より下のバンドギャップのすべてのレベルは電子で満たされ、上のレベルは電子がないと仮定できます）。

で示される場合 N（E ）レベルEに近い伝導帯のレベルの密度、次に N（E） Eは範囲内のレベル数を表しますE 。この数値にレベルを満たす確率を掛ける F n 、範囲内の自由電子の濃度を取得しますE 。自由電子の総濃度 n 伝導帯の全幅にわたって合計（積分）することによって得られます 4 ：（、ここでEcとEtop 伝導帯の下部と上部のエネルギーです。 N（E ）は、単位エネルギー間隔あたりの状態密度です）。この手順を実行すると、次のようになります。

、（2.2a）

ここで、N c は伝導帯の有効状態密度です。

正孔濃度の式は、同様の方法で取得されます。

。（2.2b）

ここでNV は価電子帯の有効状態密度です

式（2.2）の左右の部分を掛けると、次のようになります。

(2.3)

一定の温度では、濃度の積は一定の値であることがわかります。一方の濃度の増加は、もう一方の濃度の減少を伴います。

固有のp / pでは、電子と正孔の濃度は同じです。それらはによって示されます n i 固有濃度と呼ばれます。供給 n = niおよびp = n i （3）では、固有濃度の式を取得します。

(2.4)

固有濃度は温度とバンドギャップに指数関数的に依存することがわかります。

（3）と（4）から次のようになります：（2.5）

フェルミ準位についてもう少し詳しく考えてみましょう。これを行うには、簡単にするために、式（2.2）を使用して濃度の比率を決定します。 N c = N v：

, (2.6)

（2.6）の左側に値を代入してみましょう p = n i 2 / n （2.5）から、両方の部分の対数を取ると、フェルミ準位は自由電子の濃度で表すことができます。

（2.7a）

（6）に値を代入すると n = n i 2 / p 、次にフェルミ準位は穴の濃度で記述されます。

（2.7b）

値はバンドギャップの中央であることに注意してください。式（2.7）の第2項は、バンドギャップの中央からフェルミ準位の位置までのエネルギー値を表し、後者は半導体内の自由キャリアの濃度を決定します。 n -式（2.7a）から-p-式（2.7b）から。それはまた書くことができます

（2.7v）

式（2.7）から、次の結論を導き出すことができます。

彼ら自身の半導体では、 n = p = ni フェルミ準位は禁止帯の真ん中にあります。

電子半導体では、 n> n i フェルミ準位はバンドギャップの上半分にあり、高いほど電子濃度が高くなります。

ホール半導体では、 p> n i フェルミ準位はバンドギャップの下半分にあり、低いほど穴の濃度が高くなります。

温度が上昇するにつれて、値が指数関数的に増加するとき n i （（2.4）を参照）比較を開始し、値を超えます n 不純物半導体がそれ自体に変わり、フェルミ準位がバンドギャップの中央にシフトします。

キャリアの濃度を特徴付ける式（2.7）の第2項は、化学ポテンシャルEと呼ばれます。私 -電位、したがって名前-電気化学ポテンシャル。

半導体物理学の基本的な規定の1つは、次のように定式化されています。フェルミ準位は、それがどれほど不均一であっても、平衡系のすべての部分で同じです。

実際、不均一なドーパント分布を持つ半導体を採用した場合、最初は、キャリア濃度が異なり、したがってフェルミ準位勾配を持つ領域があります。これらのキャリアは、平衡が確立されるまで（実際には常に観察されます）、濃度勾配のために再分配を開始しますが、これは、補償されていない不純物中心の出現による電界の生成につながります。最終的に、化学ポテンシャル勾配は電位勾配によって補償され、結果として生じるフェルミ準位勾配はゼロになります。

2.2移動現象（導電率）

半導体内の自由キャリアの動きは、勾配の作用下で発生します。原則として、これらは濃度勾配（および結果としてキャリア拡散）と電界を生成する電位の勾配です。電界内の動きはドリフトと呼ばれます。ドリフト電流密度 j フィールドEが定義されていますオームの法則：

, (2.8)

導電率はどこにあり、どこに -抵抗率。

電気伝導性キャリア濃度と移動度によって決定されます。半導体には2種類の移動体キャリアがあるため、導電率は電子と正孔の2つの成分で構成されます。

, (2.9)

ここで、nおよびp は対応するキャリアの移動度、qは電気素量（1.602 10−19 C）。

原則として、電気伝導率は、それらのキャリアによって決定されます。これらのキャリアは、たとえば、半導体内にあります。 n -タイプ-電子によって決定されます。

可動性単位フィールド内のキャリアの平均ドリフト速度として定義されます。 E = 1ボルト/ cmで、または平均速度と電界の間の比例係数として：

(2.10)

電場の作用下にあるキャリアは、格子サイト、不純物、および構造欠陥との衝突の間の間隔で加速しながら格子内を移動します。散乱を経験しています。各衝突の後、キャリアは再び速度を上げる必要があります。その結果、その動きは、式（2.10）に示すように、電界強度に比例する平均速度で表すことができます。

移動度は不純物によるキャリアの散乱に関連しているため、図2.1に示すように、不純物濃度の増加に伴ってその減少が観察されるのは自然なことです。

移動度の単位はcm²/（Vs）です。移動度の値は、濃度だけでなく、結晶学的領域の配向にも依存し、方向とともに増加します<110>  <100>  <111>.

キャリア濃度勾配が存在する場合、または n0およびp0 -キャリアの平衡濃度（p / p） n またはp型の場合、これらはこの勾配を減少させる方向に移動するため、電流密度が低下します。 J 定義：

, (2.11 )

ここで、DnおよびDp アインシュタインの関係式による移動度に関連する電子と正孔の拡散係数は次のとおりです。

（2.11a）

したがって、電界Eの存在とキャリア濃度勾配によって決定される総電流は、次の式によって（2.8）と（2.9）を考慮して決定されます。

、（2.12a）

（2.12b）

式（2.12）は、1次元の場合に書き換えることができます。

（2.13a）

（2.13b）

2.3組換えプロセス

非平衡キャリアが半導体に現れるときはいつでも pn> n i 2 、p / pが電磁放射にさらされるか、追加のキャリアが注入されると発生し、速度論的プロセスが現れ始め、それによってシステムが熱力学的平衡になります。電子などの非平衡（追加）キャリアは、以前に電子を失った格子原子によって捕獲されることにより、伝導帯から除去されます。この場合、電子と正孔の両方の自由キャリアの相互消滅、およびそれらの束縛状態への遷移が起こります。自由電子もトラップ中心によって捕捉されます（通常、これらは金属原子、または半導体の禁止帯域に許可された状態を作成する秩序構造の欠陥です）。図2.2に示すように、そのようなセンターがいくつかある場合があります。

再結合プロセスでは、エネルギーは光子放出を伴う格子によって吸収されるか（ガリウムヒ素で発生するように）、またはエネルギーは他のキャリアによって吸収されます（OGE再結合）。

トラッピングセンターによるキャリア捕獲のプロセスは、これらのセンターによるキャリアの放出（放出）を伴う可能性があります。キャリア生成。

再結合キャリアの生成プロセスは、20世紀に多くの研究者によって研究されてきました。 Shockley-Reed-Hall理論によると、再結合率 U（c m -3 s -1 ）は、再結合レベルがバンドギャップの中央付近にあるときに最大になります。

低注入レベルで、過剰なキャリアの濃度がn（ p）は主担体の濃度よりはるかに低く、再結合プロセスは次の式で表されます。

, (2.14)

ここで、рn0 平衡少数キャリアの濃度であり、p マイノリティキャリアの寿命。さらに、少数キャリアの寿命はトラップセンターの濃度によって決定されます N t 、キャリアの熱速度番目、断面積をキャプチャします 、キャリアとトラップセンター間の相互作用のメカニズムを決定します。支払い注文の場合 p型：

p / p nの場合-タイプ（2.15）

(2.16)

このようなセンターの典型的な例は、高速スイッチを作成するためにシリコンに導入されるシリコン中の金です。

講義3

電子正孔遷移

導電率のタイプが異なる2つの半導体層の組み合わせには、整流器またはバルブの特性があります。つまり、一方の方向にもう一方の方向よりもはるかによく電流を流します。イオン注入接合を得る方法を図3.1に示します。

図からわかるように、Rの製造のために+ n ダイオード、あなたは半導体を取る必要があります N +タイプ（シリコンn +タイプ）、エピタキシャル低濃度ドープ層を成長させる n -タイプし、次に表面を酸化し、酸化物の特定の場所を開き、Pタイプの不純物（ホウ素）のイオン注入を実行し、次にP +タイプの領域と基板の裏側に接触領域としてメタライゼーションを作成します。その結果、シャープな非対称シャープが得られます pn 高濃度にドープされたP +領域と低濃度にドープされたP +領域が存在する遷移 n 図3.2の左側に見られるように、領域は、領域間の非常に鋭い境界と、 n -およびp-領域（図3.2の右側に示されている）

（原則として、界面での不純物濃度が「スムーズな遷移」と見なされます。 nとp -タイプは距離とともに直線的に変化します）

P +タイプの層からの正孔は低ドープ領域に拡散します n - タイプ。ただし、レイヤーでは n -冶金学的境界（正孔と電子の濃度が等しい領域）の近くのタイプは、過剰な正孔になります。それらは、平衡条件（2.5）が満たされるまで電子と再結合します。これに対応して、この領域の電子濃度は減少し、ドナー原子の補償されていない正電荷が露出します。冶金学的境界の左側には、ホールが残っているアクセプター原子の補償されていない負電荷が「露出」しています（図3.3を参照）。

一方向の遷移、つまりここで、検討中の場合と同様に、P領域の正孔の濃度p p0 の電子の濃度よりもはるかに高い N-領域nn0またはpp0 >> n n 0 電子の動きははるかに少ないです。

空間電荷の領域は枯渇層と呼ばれ、その両方の部分での自由キャリアの濃度が急激に低下することを意味し、遷移の分析で無視できるほどそれらはほとんどありません。フリーキャリアが小さいため、空乏領域はダイオード構造全体の中で最も抵抗の高い部分と見なすことができます。

遷移は一般的に中性です。右側の正電荷は左側の負電荷と同じです。ただし、電荷密度は大きく異なります（不純物濃度の違いによる）。したがって、枯渇した層の長さは異なります。不純物濃度が低い層（この場合は、 n -層）、枯渇した電荷領域ははるかに広いです。この場合、「非対称遷移は高抵抗層に集中している」という主張は真実です。

図3.4に示すように、空乏領域に電荷が存在すると、電界が発生します。

接合部の平衡状態（外部電圧の印加なし）の電流いいえ電気化学ポテンシャル勾配（フェルミ準位）がないため、フロー（モバイルキャリアはありません） E F ）、図3.5に示すように：

図3.5は、右側のフェルミ準位を示しています E F 伝導帯Eの端に近い C n -タイプ、およびフェルミの左側に E F E価電子帯の端に近い v 、これはエリアであることを意味します P - タイプ。ボリューム全体のフェルミ準位の一定性は、バンドの曲がりにつながります pn 値への移行 V bi 、これは接触電位差と呼ばれます。

図3.5から、次のようになります。 V bi 接続されていない半導体のフェルミ準位の差です n -タイプとpタイプ。次に、式（2.7）を考慮に入れると、次のようになります。

(3.1)

の電子の集中を考えると n-エリアnn 0 主に完全にイオン化されたドナーの濃度によって決定されます N D、とP領域の穴の集中 p p 0 完全にイオン化されたアクセプターの濃度によって決定されます N A、次のように記述します。

(3.2)

典型的なケースの場合 N A \ u003d 10 19 cm-3およびND \ u003d 10 16 cm -3、k \ u003d 1.3710 -23 J /C、q \ u003d 1.610- 19 C、わかります Vbi = 0.83B -これは形成中の接触電位差です pn遷移。

熱平衡では、半導体の中性部分の電界はゼロです。したがって、p領域の単位面積あたりの負電荷の合計は、単位面積あたりの正電荷の合計に等しくなります。 n-エリア：

, (3.3)

ここでxnとxp 空乏領域のサイズです。

空乏領域の電界E（x）の大きさとその範囲を計算するには x n + x p ポテンシャル分布に関する方程式を使用します充電付きV – 1次元ポアソン方程式：

, (3.4)

ここでs は半導体の誘電率です。s=0、ここで0 -真空誘電率0\ u003d 9 * 10 -14 F / cm、 -半導体の比誘電率（シリコンの場合） = 11,9).

一般的に、電荷密度 半導体では次のように書かれています。

ここで、およびはイオン化された不純物の濃度です。

エリアnの場合 -タイプを書くことができます：

、（3.5a）

p領域の場合：

（3.5b）

x = 0からx = xの範囲でx上で式（3.5b）を統合する p p型空乏領域における電界強度の分布を取得します。

（3.6a）

式（3.5a）についても同様に、次のようになります。

（3.6b）

図3.4に示すように、空乏領域での電界の線形分布が得られました。 x = 0で、電界は最大値をとることがわかります。

(3.7)

（3.7）を考慮すると、式（3.6b）は次のように表すことができます。

図3.6に示すように、2次ポテンシャル分布が得られました。

値を等しくする x = 0でのV（x）で、V p --V n = V biを考慮すると、次のようになります。

または、（3.7）を考慮して、次のように記述します。

または、（3.8）

ここでW 空乏領域の全幅です。

空乏領域の幅と両側の不純物濃度の関係を調べてみましょう pn遷移。

（3.8）から、（3.7）を考慮して、次のように記述します。

としても：

xnとxpを移動します右側に追加し、両方の式を追加します。

なぜなら x n + x p = Wの場合、Wを表します：

(3.9)

非対称遷移の場合、 NANDは次のように書くことができます。

(3.10)

つまり幅pn 遷移は、高抵抗領域の不純物濃度によって決まります。

V bi = 0.83BおよびND = 1016と仮定します cm-3、シリコン用 Wxn0.3µm

供給される逆電圧を考慮に入れる Vからpn 遷移、私たちは書くことができます：

(3.11)

それらの。遷移幅は電圧とともに増加します。

講義4

p-n接合のボルトアンペア特性

電流-電圧特性の式は、次の仮定のいくつかに基づいて計算できます。1）鋭い境界を持つ枯渇層近似。接触電位差と印加電圧は帯電層によってバランスが取れています n -およびp型、その外側では半導体は中性と見なされます。 2）ボルツマン近似、すなわち空乏領域では、ボルツマン分布が有効であり、式（2.7）になります。 3）低レベルの注入近似、つまり注入されたキャリアの密度が多数キャリアの濃度と比較して小さい場合。 4）空乏化した層に生成電流がないこと、およびそれを流れる電子と正孔の電流が一定であること。

式の変換（2.7）は次のとおりです。

（4.1a）

、（4.1b）

ここで、と -バンドギャップの中央とフェルミ準位に対応する電位（=Ei/ q、=EF/ q ）。（個々の半導体の場合 n -およびp型フェルミ準位E F 誰もが自分のものを持っています）。熱平衡状態では、製品は npはni2に等しい。しかし、接合部の両側の接合部に電圧を印加すると、接合部と製品の両側からの注入により、少数キャリアの濃度が変化します。 npはni2と等しくなくなりました。電流が流れるため、フェルミ準位の構造は同じではなく、得られたレベル（擬フェルミ準位）の値は次の式から決定されます：

（4.2a）

、（4.2b）

ここで、nおよびp -それぞれ電子と正孔のフェルミ準位（ポテンシャル）。それらを表現しましょう：

（4.3a）

、（4.3b）

（4.2）から（4.4）が見つかります

順方向バイアスの場合（p-n）> 0およびpn> n i 2 、および逆バイアス付き（p-n）< 0 и pn < n i 2 .

電流を決定するには、式（2.13）を使用します。

=（Eを考慮に入れる）=

（4.2a）を考慮に入れて、=を表します。

ポテンシャル勾配。これを考えると=.

それらの。私たちは電子電流のために得ました J n：

(4.5)

同様に、ホール電流については次のようになります。

(4.6)

電子と正孔の電流密度は、それぞれ電子と正孔の擬フェルミ準位の勾配に比例することがわかりました。熱平衡状態= 0およびJn = J p = 0。

擬フェルミ準位、電位分布、接合部のキャリア濃度のバンド図を図4.1に示します。

の静電ポテンシャルの違い pn 遷移は値によって決定されます

(4.7)

x =での遷移境界でのp領域の電子濃度の場合xr （4.7）と（4.4）を使用して記述します。

, (4.8)

ここで、n p 0 -p領域の電子の平衡濃度

同様に

(4.9)

p n の穴の集中です n -x = xでの枯渇層の境界上の領域 n、およびp n 0 の正孔の平衡濃度です n-エリア。

最後の式を使用して、電流と電圧の関係を決定します。

これを行うために、電流の流れについて次のアイデアを使用します。空乏領域を通ってp / pに落ちる穴 n -タイプは生涯の間に電子と再結合しますp 、再結合率が Uはに等しくなります

x = xでの空乏領域境界でのこの注入電流 n 電場がゼロである場合（図3.4を参照）は、正孔濃度勾配を変化させることによる正孔の拡散によって決定されます。 n エリアなので、次のように書くことができます。

(4.10)

式（4.10）は、電界がなく、定電流状態（定常状態）の場合の連続の方程式です。拡散方程式とも呼ばれます。実際、左側は時間の経過に伴う穴の濃度の変化として解釈でき、右側は濃度が変化する同じボリューム内の穴の再分布として解釈できます。これが拡散が起こる方法です。（拡散に関する2番目のフィックの法則）。

なぜなら、私たちは書く：

または（4.11）

注意してください。 L -キャリアが再結合前の寿命の間に移動する距離を特徴付ける拡散長を表します。

定常方程式（4.11）は、2次の通常の一次方程式です。その解決策は、指数の合計です。

x =の過剰キャリアの濃度に注意してください。、つまり p（ ）= 0なので、第1項の係数A 1 = 0。 x \ u003d x n A 2 \u003dp（x n）の場合、ここから：

とすれば。 р（хn）= p n（4.9）次のようになります。

(4.12)

x = xの場合（2.11）を考慮する n （フィールドE = 0の場合）正孔電流密度は次のようになります。

(4.13)

（式（4.13）を導出する際に、次のことを考慮しました。)

同様に、p領域を考慮すると、電子電流密度が得られます。

(4.14)

遷移を流れる合計電流は、電流（4.13）と（4.14）の合計に等しくなります。

, (4.15)

ここで+（4.16）

式（4.15-4.16）は、理想的なダイオードの電流-電圧特性を表すよく知られたShockleyの式です（図4.2）。

順方向バイアス（p領域に正の電圧を供給する）を使用して V> 3 kT / q 図からわかるように、理想的な遷移特性の傾きは一定です。 4.2b、および逆バイアスを使用すると、電流密度は飽和し、次のようになります。 Js。

講義の冒頭で提唱された仮定を弱めることによって、その下で pn CVCの遷移、直接および逆分岐は、式（4.15）および（4.16）で記述される理想的な分岐とは異なります。

講義5

pn遷移プロパティ

5.1V特性の温度依存性

飽和電流密度に対する温度の影響を考慮してください Js 。これを行うには、式（4.16）の最初の項を検討します。（第2項は第1項と同様であり、鋭い非対称の場合 N p >> Ndまたはpn 0 >> n p0の場合のpn遷移 2番目の項は一般的に無視できます）。式（4.16）のすべての量は、温度に依存します。それはそれを示すことができます Dp Tとして温度に依存します 3/2、D p /p Tとしての温度に関連（3 +）/ 2、ここでは定数です。

J sを（4.16）から変換し、p n 0 = n i 2 / n n0を表します。次の式を使用します ni（2.4）：

(5.1)

力率Tの温度依存性(3+  )/2 指数よりもはるかに弱い。依存関係の傾き lnJs 1 / Tからは直線であり、その傾きはバンドギャップによって決まります。例えば、逆接合電流を支配する他のメカニズムがない場合。

5.2バリア容量

特定のバリア容量 pn 遷移は式Cによって定義されますdQc/ dV、ここでQ c -印加電圧の十分に小さい増分によって引き起こされる電荷密度の増分。

不平衡な急激な遷移の場合、電圧を印加すると空乏領域の幅が変化します Vのような

（（3.11）と比較）（5.2）

空乏領域の電荷も変化します：したがって、

（F / cm 2）（5.3）

プラス記号とマイナス記号は、逆バイアスと順バイアスに対応します。

値1 / Cを表現すると 2、次に取得します：

(5.4)

1 / Cの線形関係が見られますオフセットVから2 。ラインスロープ1 / C 2 不純物濃度により決定 N D 、および横軸との交点（1 /Сの場合） 2 = 0）は値を与えます Vbi。

5.3キャリアの生成-再結合のプロセス。

Shockleyの式（4.15）は、ゲルマニウムの電流-電圧特性を十分に表しています。 pn 低電流密度で遷移します。ただし、バンドギャップが大きい半導体（シリコン、ガリウムヒ素）の場合、したがって値が小さい半導体の場合 n i 、この式は、実際の特性との定性的な一致のみを示します。特性が理想から逸脱する主な理由は、1）空乏層でのキャリアの生成と再結合のプロセスの影響、2）順方向バイアスでの高い注入レベル、3）直列抵抗の影響です。

遷移の逆バイアスを使用すると、キャリア放出のプロセスが遷移で支配的になります。この場合、これらの条件下での電子正孔対の生成率は、寿命によって決まります。

, (5.5)

ここでe -発電所の濃度によって決定される寿命（2.15を参照）。空乏領域での発生による電流密度は、

, (5.6)

ここでW 枯渇した層の幅です。発生電流の温度依存性は、温度依存性によって決まります n i、nではない私2 、拡散電流は。この場合、温度の逆数からの対数目盛での特性の傾き（lnJ = f(1/ T）生成電流の場合は拡散電流の場合の2分の1です。値によって決定されますEg/2.

与えられた温度で、鋭い遷移の枯渇層の幅は（5.2）のように電圧とともに増加し、総逆電流は中性領域の拡散電流と生成電流の合計によって決定されます。

(5.7)

価値の高い半導体n私、ゲルマニウムなど、拡散電流が支配的です。もしもn私が小さい場合（シリコンの場合のように）、生成電流が支配的です。この場合、図5.1に示すように、逆遷移電流の値は急激に増加します。 .

順方向バイアスの場合、枯渇した層で集中的な再結合プロセスが発生すると、再結合電流が拡散電流に追加されます。これは曲線で顕著です。 ）図5.1の。電流がさらに大きく増加すると、注入された少数キャリアの濃度が多数キャリアの濃度と比較されます。ここでは、拡散だけでなく、電流のドリフト成分も考慮する必要があります。これにより、図5.1の形式c）の直接特性の傾きが変化します。そして最後に、高電流密度では、ダイオードに隣接する領域の有限直列抵抗が図5.1の役割を果たし始めます（曲線d）。これらすべての場合において、勾配の値によって決定される理想的なものからの片対数スケールでの直流分岐の偏差がありますq/ kT、これは式（4.15）から得られます。

5.4拡散能力

順方向バイアスの場合、少数キャリアの濃度分布の変化により、接合容量では拡散容量が支配的になります。順バイアスの等価遷移回路を図5.2に示します。

このような静電容量は、可変信号で現れます。次に、遷移の導電率Gとその容量C図5.2の図を考慮して決定できます。同時に、C dQ/ dV ~ d(q n)/ dV、どこd( n)/ dV-可変信号による少数キャリアの濃度の変化。

5.5故障pn接合

逆バイアスが大きいpn大きな電界を生成する接合部、つまり接合部は「突破」します。大電流が流れます。破壊メカニズムには、熱、トンネリング、雪崩の3つがあります。

逆バイアス接合に大電流が流れると、熱が放出されます（これは、ゲルマニウムなど、バンドギャップが小さい材料に特に当てはまります）。接合部の温度が上昇すると、電流が増加します（たとえば、（5.1）のように、温度が上昇するなど、ダイオードが破壊される可能性があります（ダイオードが「燃焼」します）。 "）電流を制限するための対策が講じられていない場合。このような現象はと呼ばれます熱の壊す。デバイスが破壊されるため、このような動作モードを許可しないようにします。

トンネル内訳はで発生しますpn遷移、その両側は縮退しています（高濃度にドープされています）。両側のフェルミ準位はバンドギャップではなく、伝導帯になります。n--p / pタイプおよびp / ppタイプの原子価ゾーン。

このようなダイオードのエネルギー図を図5.3に示します。

そのような幅pn遷移は100Å未満です。このような接合部の小さな電圧でさえ、非常に大きな電界につながります〜106 w / cm 小さな逆バイアスで、p / pp型価電子帯からの電子は伝導帯の自由な場所に移動できますn-タイプ-ポテンシャル障壁をトンネリングします。（これは量子現象です。これは、左側の電子の波動関数が右側で非ゼロであることを意味します。つまり、電子は右側に局在化する確率があり、この確率は非ゼロです。に近いポテンシャル障壁の有限値でEg）。逆バイアスを伴うこのタイプの電流の流れは、トンネル. このような特性の形を図5.4に示します。このようなダイオードはツェナーダイオード1933年にこのような現象を最初に調査した科学者CarlosZenerにちなんで名付けられました。このブレークダウンメカニズムは最大5.5Vで動作し、その後、アバランシェブレークダウンメカニズムが優先されます。

図5.4に示すように、温度が上昇すると、実験が示すようにバンドギャップが減少し、トンネルの絶縁破壊電圧が低下します。

最も一般的なのは雪崩壊す。アバランシェ降伏は、遷移領域で作用する強電界における「キャリア増倍」の現象に基づいています。平均自由行程上の電場によって加速された電子と正孔は、中性半導体原子の共有結合の1つを切断する可能性があります。その結果、新しい電子正孔対が生まれ、新しいキャリアが参加してこのプロセスが繰り返されます。十分に高い電界強度で、最初のペアが複数の新しいペアを生成すると、イオン化は、ガス中の自立放電と同様のアバランチ特性を獲得します。この場合、電流は外部抵抗によってのみ制限されます。

遷移幅がW、次に最大電界Emアバランシェプロセスを引き起こす、は、絶縁破壊電圧に関連していますVB式：、つまりフィールドEm電圧によって生成されますVBトランジションの半分に適用されます。

なぜなら（（3.7）を参照）、ただし、急激な遷移の場合、NA>> ND、つまりバツn>> バツpとバツn W、またはを書くことができます

(5.8)

明らかに、濃度が高くなると、空乏領域のサイズは小さくなり、Eの値は同じになります。m降伏電圧VV。減少します。

図5.5のグラフは、この結論を示しています。

Eを計算するにはm実験式が使用されます：

, (5.9)

どこNBcmで測定-3

にとってpn他の不純物プロファイル（シャープではない）での遷移、そのような傾向（濃度の増加に伴う絶縁破壊電圧の減少）も同様です。

温度が上昇すると、アバランシェ降伏電圧が上昇します（トンネル降伏とは対照的）。高温では、キャリアはイオン化よりも格子振動（フォノン）との相互作用にエネルギーを消費しやすいため、アバランシェ効果を実現するには、電界を増加させ、逆電圧を増加させる必要があります。

アバランシェブレークダウンのもう1つの重要な機能に注目しますpnシリコン表面の局所領域で作成された遷移（これはすべてのダイオードの約99％です）。図5.6からわかるように、このようなダイオードは円筒形と球形の領域をカバーします。この領域では、空乏領域のサイズが平坦な部分のサイズよりも小さいため、特定の接合電圧に対して電界強度が高くなります。移行の雪崩崩壊が起こるのはそのような場所です。

これは、成形時に特に顕著ですポイントダイオード-電気接合面積が非常に小さいダイオード。これは、不純物が付着した金属針を特定の種類の電気伝導率を持つ半導体プレートに融合させることで得られます。（図5.7）

p-n接合の面積が小さいため、および接合の静電容量が小さいため、ポイントダイオードの制限周波数は通常約300〜600MHzです。電鋳なしでより鋭い針を使用すると、数十ギガヘルツのオーダーの限界周波数でポイントダイオードが得られます。

1 バーディーン、ブレテン、ショックレーによるベル研究所のバイポーラトランジスタの発明。1947年に設立されました。

2 インデックスcとvは、伝導帯と価電子帯に由来します

3 電気化学ポテンシャルは、熱力学において、ユニットあたりのキャリア数の変化に伴うシステムのエネルギーの増加を特徴づけます。

4 SZee「半導体デバイスの物理」ブック1ページ22

遷移境界の近くにあるp-n接合に不純物イオンと可動電荷キャリアが存在すると、その容量特性が決まります。

p-n接合の静電容量には、バリア（充電）Cbarと拡散Cdiffの2つの要素があります。バリア容量は、p-n接合にドナーとアクセプターの不純物が存在するためであり、p領域とn領域は、いわば2つの帯電したコンデンサプレートを形成し、空乏化した層自体が誘電体として機能します。一般的な場合、充電容量のp-n接合に印加される逆電圧への依存性は次の式で表されます。

ここで、C 0は、Uobr = 0でのp-n接合の静電容量です。

γは、p–n遷移のタイプに依存する係数です（鋭い遷移の場合はγ= 1/2、滑らかな遷移の場合はγ= 1/3）。この式から、逆電圧が増加するとバリア容量が減少することがわかります。それらの。逆電圧の増加に伴い、p-n接合の空乏層の厚さが増加し、コンデンサプレートが離れて移動しているように見え、その静電容量が低下します。バリア容量のこの特性により、接合部を逆電圧の大きさによって制御される容量として使用できます。

静電容量の印加電圧への依存性を静電容量-電圧特性と呼びます。曲線が1平面のp-n接合である場合、2は鋭い曲線です。

拡散容量は、p領域とn領域の非平衡電荷キャリアの数の変化によるものです（曲線3）。

Iprは接合部を流れる直流、τは注入された非平衡キャリアの寿命です。

順方向電圧の領域に遷移すると、バリア容量が増加するだけでなく、pおよびn遷移領域での非平衡電荷の蓄積による容量も増加します。 p領域とn領域に蓄積されたキャリアは急速に再結合するため、拡散容量は時間とともに減少します。減衰率は、非平衡電荷キャリアの寿命τに依存します。拡散容量は常にp-n接合の小さな直接抵抗によってシャントされ、半導体素子の速度を大きく左右します。

pn接合の等価回路は、p / nダイオードを含む電子回路を分析するために使用される数学モデルです。

パラメータLv-リードインダクタンスとCk-ケース容量は、構造がケースに配置されるときに使用されます。

トランジションをオンに戻すための等価回路は異なって見えます：

高い直流電流では、Satを等価回路から除外できます。

16. p / pダイオードの分類。表記システム。条件付きのグラフィック指定p / pダイオード。

半導体ダイオードは、外部回路に接続するための1つまたは複数の接合部と2つのリード線を含む電気変換デバイスです。

P / pダイオードは、ソースマテリアルのタイプ、設計と技術的特徴、目的などによって分類されます。ソース材料のタイプに応じて、ダイオードは次のとおりです。ゲルマニウム、シリコン、セレン、炭化ケイ素、ガリウムヒ素など。設計および技術的特徴に応じて：ポイント、合金、マイクロアロイ、拡散、エピタキシャル、ショットキーバリア付き、多結晶など。。それらは目的によって次のように分けられます。1。産業用周波数電源の交流電圧を直接に変換するように設計された整流器（電力）。 2.電圧を安定させるように設計されたツェナーダイオード（リファレンスダイオード）。CVCの逆分岐にセクションがあり、流れる電流への電圧の依存性が弱い。 3.高速パルスシステムで動作するように設計されたバリキャップ。 5.高周波振動を増幅、生成、および切り替えるように設計されたトンネルおよび逆ダイオード。 6.マイクロ波は、マイクロ波振動を変換、切り替え、生成するように設計されています。 7.電気信号を光エネルギーに変換するように設計されたLED。 8.光エネルギーを電気信号に変換するように設計されたフォトダイオード。 表記システム。アルファベットと数字の要素で構成されています。指定の最初の要素は、ダイオードのソース材料を定義する文字または数字です。Gまたは1-ゲルマニウムまたはその化合物。 Kまたは2-シリコンまたはその化合物; Aまたは3-ガリウムヒ素およびガリウム化合物; 2番目の要素は、ダイオードの目的を示す文字です。D-整流器、パルス。 C-ツェナーダイオード; B-バリキャップ; そして-トンネル、変換; 電子レンジ; L-LED; F-フォトダイオード。 3番目の要素は、ダイオードのエネルギー特性を示す数値です。 4番目の要素は、開発番号を示す2桁の数字です。 5番目の要素は、ダイオードの特別なパラメータを特徴付ける文字です。 条件付きグラフィック画像。

ダイオードの端子はアノードとカソードと呼ばれます。アノードは、外部電気回路から直流が流れる電子機器の出力です。陰極-直流が外部電気回路に流れる電子機器の出力。ダイオード指定の矢印は、接合部のn領域を指しています。

逆流機構移行は比較的簡単です。ボリューム電荷領域の電界をドリフトする、領域の1つでマイナーな電荷キャリアは、それらがすでにメインキャリアである領域に分類されます。多数派のキャリアの濃度は通常、隣接する地域の少数派のキャリアの濃度を大幅に上回っているため （n n>> npと p p >> p n）、その後、半導体の特定の領域にわずかな追加量の主電荷キャリアが出現しても、半導体の平衡状態は実際には変化しません。

直流電流を流すと別の画像が得られます 。この場合、電流の拡散成分が支配的であり、ポテンシャル障壁を克服し、それらが少数キャリアである半導体の領域に浸透する多数電荷キャリアからなる。この場合、少数キャリアの濃度は、平衡濃度と比較して大幅に増加する可能性があります。 非平衡キャリアの導入の現象は、注入.

直流電流が流れるとき p-n-電子領域から正孔領域への遷移は、電子の注入であり、正孔領域から電子領域への遷移は、正孔の注入である。

簡単にするために、半導体の正孔領域から電子領域への正孔の注入のみをさらに検討し、次に、正孔領域への電子注入のカウンタープロセスに対して行われたすべての結論を拡張します。適用される場合 p-n-伝達方向への電圧遷移（図3.13）により、ポテンシャル障壁の高さが減少し、一定数の穴が貫通できるようになります。 n-領域。

図3.13。接合部を流れる直流電流のスキーム

これらの穴の前 n-この領域は電気的に中性でした。十分に小さいボリュームのそれぞれの正電荷と負電荷 n-合計された面積はゼロになります。

から注入された穴 R-のエリア n-面積は、正の空間電荷を表します。この電荷は、半導体の体積内を伝播する電界を生成し、主な電荷キャリアである電子を動かします。正孔によって生成された電界は電子を正孔に引き付けます。その負の空間電荷は、正孔の正の空間電荷を補償する必要があります。ただし、注入された正孔の空間電荷の近くに電子が集中すると、隣接するボリュームでの電子の集中が減少します。電気的中性の違反とこれらのボリュームの空間電荷の出現に。

電気的に中性の半導体内の自由電荷の再分配は正孔の空間電荷を補うことができないので、半導体の電気的中性の状態を復元するために、追加の数の電子が外部出力から入る必要があります。これは、注入された正孔の総電荷に等しくなります。電子と正孔は大きさが等しく符号が反対の電荷を持っているため、外部端子から半導体の大部分に入る電子の数は、注入された正孔の数と等しくなければなりません。

したがって、の出現と同時に n-特定の数の注入された穴の領域- マイナーな非平衡キャリア-同じ数の電子が現れます 主な非平衡キャリア。それらと他のキャリアは両方とも、熱力学的平衡の濃度とは異なる濃度を生成するため、非平衡です。

主な非平衡キャリアの空間電荷によるマイナーな非平衡キャリアの空間電荷の補償のプロセスは、非常に速く進行します。このプロセスの整定時間は、緩和時間によって決まります

ゲルマニウム（ε= 16）の場合、抵抗率は10です。 オーム。 CM、約10-11 秒したがって、プロセスの確立は瞬時に行うことができます。

キャリア濃度は接合部で直接高いため、キャリアは濃度勾配が存在するため、半導体の大部分に低濃度の方向に深く伝播します。同時に、再結合により非平衡キャリアの濃度が低下するため、濃度の合計値が平衡値になる傾向があります。

図3.14。非平衡マイナーの濃度の分布曲線

pn接合の電子領域のキャリア（穴）

非平衡濃度が平衡主キャリアの濃度と比較して小さい場合（注入レベルが低い）、半導体の深部への遷移からの方向の非平衡キャリアの濃度の減少は、指数関数に従って発生します。法則（図3.14）：

(3.23)

Lキャリアがその寿命の間に拡散する時間を持っている平均距離を特徴づけます。

トランジションから十分に離れたポイントで （x→¥ ) 電荷キャリアの平衡濃度が維持されます。

低レベルの注入では、非平衡キャリアの濃度は n-インターフェースの近くの領域は、接合部に印加される電圧の大きさに指数関数的に依存します。

(3.24)

（で U= 0; 正の値の増加とともに急速に増加します U）。

接合部の電圧のΔによる変化に注意してください uの非平衡正孔の濃度の増加につながります n-エリア、すなわち担当変更に。電圧の変化によって引き起こされる電荷の変化は、ある静電容量の作用と考えることができます。 このコンテナはと呼ばれます拡散 、接合部を流れる電流の拡散成分の変化により現れるため。

結論として、 拡散容量は、伝導電流と比較して拡散電流を無視できない場合、接合部を通る順方向電流または低い逆方向電圧で現れます。

拡散容量を電荷の変化Δとして表します Q、それを引き起こした電圧変化Δに関連する u:

接合部を流れる電流が拡散容量に与える影響を推定します。

少数派の非平衡キャリアの総電荷 n-ドメインは、式（3.23）を統合することで取得できます。

理想的な逆電流では、逆電圧が比較的小さくても、逆電圧の値に依存しません。ただし、実際の研究では、印加電圧の増加に伴って逆電流のかなり強い増加が観察され、シリコン構造では、逆電流は熱電流よりも2〜3桁高くなります。実験データと理論データの間のこのような不一致は、その領域で直接電荷キャリアが気密に生成され、チャネル電流とリーク電流が存在することによって説明されます。

チャネル電流は、表面近くのエネルギーバンドを曲げて逆層の出現につながる表面エネルギー状態の存在によるものです。これらの層はチャネルと呼ばれ、逆層と隣接領域の間の遷移を流れる電流はチャネル電流と呼ばれます。

静電容量p-n接合。

電気伝導率に加えて、-接合部にも特定の静電容量があります。容量特性は、境界の両側に不純物イオンによって生成される電荷と、境界の近くにある可動電荷キャリアが存在するためです。

静電容量は、の電荷の再分布を反映するバリアと、の近くの電荷の再分布を反映する拡散の2つのコンポーネントに分けられます。接合部の順方向バイアスでは、拡散容量が主に現れますが、逆方向バイアス（抽出モード）では、（ベース内の）近くの電荷はほとんど変化せず、バリア容量が主な役割を果たします。

外部電圧は、幅、空間電荷の値、および注入された電荷キャリアの濃度に影響を与えるため、静電容量は印加電圧とその極性に依存します。

バリア容量は、接合部にドナーとアクセプターの不純物イオンが存在するために発生します。これらの不純物イオンは、いわば2つの帯電したコンデンサプレートを形成します。ブロッキング電圧の変化、例えば、増加に伴い、接合部の幅が増加し、可動電荷キャリアの一部（領域内の電子および領域内の正孔）が、隣接する層からの電界によって吸い取られる。ジャンクション。これらの電荷キャリアの動きは、回路に電流を誘導します

ここで、は枯渇した接合層の電荷の変化です。この電流は、遷移の境界を変更する一時的なプロセスの終わりにゼロに等しくなります。

鋭い遷移の値は、近似式から決定できます。

ここで、の面積と厚さはです。

印加される逆電圧Uが増加すると、遷移の厚さが増加するため、バリア容量が減少します（図2.10、a）。

この依存性は、容量-電圧特性と呼ばれます。

p-n接合に直流電圧を接続すると、の減少によりバリア容量が増加します。ただし、この場合、注入による電荷の増加が重要な役割を果たし、接合部の静電容量は主に静電容量の拡散成分によって決定されます。

拡散容量は、注入されたキャリアの濃度の変化により、領域に蓄積された移動電荷キャリアの濃度を変化させる物理的プロセスを反映しています。

拡散容量の影響は、次の例で説明できます。

ベース領域への正孔の注入により、順方向電流を流します。ベースに蓄積された電荷は、この電流に比例する少数キャリアと、半導体の電気的中性を保証する多数キャリアの電荷によって生成されます。印加電圧の極性が急激に変化すると、注入された正孔は再結合する時間がなく、逆電圧の作用下でエミッタ領域に戻ります。主な電荷キャリアは反対方向に移動し、電源レールに沿って移動します。この場合、逆電流が大幅に増加します。徐々に、ベース内の正孔の追加電荷は、電子との再結合のために消失（溶解）し、-領域に戻ります。逆電流は静的な値に減少します（図2.10.b）。