03 (Конспект - 2) Электроника и схемы. Исследование параметров и характеристик полупроводникового диода
 Скачать 45.25 Kb.
|
|
Исследование параметров и характеристик полупроводникового диода. Как правило, полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, основу которого составляет структура из двух слоев полупроводника различных типов проводимости. На внешних границах слоев формируются невыпрямляющие (омические) контакты, выводы от которых используются для подключения диода в электрическую цепь. Область раздела слоев полупроводника представляет собой зону, обедненную свободными носителями зарядов, так называемый p-nпереход. В тоже время существуют полупроводниковые диоды, состоящиеиз одного слоя полупроводника (диоды Ганна), содержащие выпрямляющий контакт полупроводник–металл (диоды Шоттки) или имеющие несколько слоев полупроводника с разными свойствами (p-i-nдиоды). Вывод от «p» слоя полупроводника в диоде сp-nпереходом называется анодом, а соответствующий вывод от «n» слоя – катодом.  При подаче на анод отрицательного, а на катод положительного напряжения, основные носители (дырки в pи электроны вnполупроводнике) оттянутся к внешним краям диода, и ширина p-n перехода возрастет. В идеале при этом ток через диод должен отсутствовать, так как свободных носителей внутри p-n перехода нет. Сам переход в данной ситуации выполняет роль изолятора, а диод можно представить в виде конденсатора, обкладками которого служат слои полупроводника, а диэлектриком – p-n переход. При уменьшении запирающего (обратного) напряжения толщина перехода будет уменьшаться, а при смене полярности и некоторой величине прямого (отпирающего) напряжения она станет равной нулю, и области с большими концентрациями свободных носителей сомкнутся. Через диод потечет прямой ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и свойств полупроводниковых материалов. В реальных диодах при запирающем (обратном) напряжении протекает не равный нулю обратный ток и, увеличивающийся с ростом этого напряжения. Данный ток можно представить в виде совокупности трех составляющих: где ток насыщения (тепловой ток), обусловленный наличием неосновных носителей – дырок в «n» полупроводнике и электронов в «p» слое;  – ток термогенерации, связанный с появлением в зоне p-n перехода свободных носителей (генерацией электронно-дырочных пар), количество которых пропорционально температуре и объему перехода (величине обратного напряжения); – ток утечки, обусловленный конечным значением сопротивления поверхности полупроводника, он также пропорционален запирающему напряжению. При малых обратных напряжениях и небольших температурах .В реальных полупроводниковых диодах при достижении обратным напряжением некоторой величины наступает пробой p-nперехода, что вызывает резкое увеличение обратного тока. Пробой может быть обусловлен либо квантовомеханическими туннельными эффектами, лавинообразным ростом неосновных носителей из-за большой напряженности электрического поля в объемеp-nперехода, или из-за роста температуры полупроводника, вызывающей рост тока дальнейший разогрев диода и т.д. В первых двух случаях пробой называется электрическим, а в третьем – тепловым. Электрический пробой является обратимым, то есть при снятии обратного напряжения, вызвавшего пробой, p-nпереход восстанавливает свои свойства. Тепловой пробой необратим и вызывает разрушениеp-nперехода (расплавление его). Для того чтобы электрический пробой не перешел в тепловой количество выделяющегося в зонеp-nперехода тепла должно быть меньше рассеиваемого. Это можно реализовать ограничив ток пробоя каким-либо внешним элементом. В режиме электрического пробоя диод может находиться достаточно длительное время, при этом величина падения напряжения на нем очень слабо связана с величиной тока пробоя, как показано на рис. 1.2. Вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов, изготовленных из разных материалов. У реальных диодов величина обратного тока зависит от материала полупроводника. Для кремниевых диодов  при комнатной температуре имеет порядок единиц-десятков микроампер, для германиевых – сотни микроампер, миллиамперы. Напряжение пробоя определяется характеристиками полупроводниковых материалов и может лежать в пределах от единиц вольт до киловольт.Величина прямого тока через диод связана с приложенным напряжением следующим образом: где  – ток насыщения; – прямое напряжение; – температурный потенциал; – постоянная Больцмана; – заряд электрона; – абсолютная температура.При температуре  =25мВ. Из соотношения (1.2) следует, что для прямых напряжений порядка одного вольта ток черезp-nпереход может достигать значений десятков и сотен ампер. При подаче одного и того же прямого напряжения через германиевый диод будет протекать больший ток, чем через кремниевый. Это объясняется соответствующей разницей ширины запрещенной зоны этих полупроводников.Зависимость обратного тока p-nперехода от напряжения описывается тем же соотношением, но напряжениеU имеет отрицательный знак. На приведенных вольтамперных характеристиках (ВАХ) диодов, масштабы токов и напряжений прямой и обратной ветвей для наглядности выбраны различными. Кроме полупроводниковых диодов с p-nпереходом существует разновидность кремниевых диодов, у которых один из слоев полупроводника заменен металлом и образует с другим слоем выпрямляющий контакт (рис. 1.3). Такие диоды носят название диодов Шоттки и отличаются тем, что прямая ветвь их вольтамперной характеристики лежит в промежутке между соответствующими ветвями германиевого и кремниевого диодов. Кроме того, диоды Шоттки обладают очень малой емкостью в запертом состоянии, а напряжение пробоя для них не превышает нескольких десятков вольт.  Структура и условное обозначение диода Шоттки. Полупроводниковые диоды характеризуются рядом параметров, описывающих особенности прямой и обратной ветвей их вольтамперных характеристик в статическом, установившемся состоянии. Одним из таких параметров является прямое падение напряжения  при заданном прямом токе . Следующий параметр – прямое дифференциальное сопротивление диода, определяемое из соотношения:где – изменение прямого тока в области, а  – соответствующее ему изменение прямого напряжения. Из структуры прямой ветви ВАХ диода следует, что является функцией протекающего тока или приложенного напряжения, и, в частности, оно уменьшается с ростом их величин.Для идеального p-nперехода величина прямого сопротивления может быть вычислена по формуле: Прямое сопротивление реального диода всегда выше (при тех же токах  ) сопротивленияp-nперехода из-за потерь в полупроводнике и токоподводящих контактах.Дифференциальное обратное сопротивление диода определяется следующим образом: Величина прямого сопротивления обычно лежит в пределах от сотых долей Ома до сотен Ом, а обратное сопротивление может принимать значения от единиц килоом до сотен мегаом. Важными статическими параметрами полупроводникового диода являются также максимально допустимый прямой ток и максимально допустимое обратное напряжение, определяемое как 0,8 , где - напряжение электрического пробоя и другие.При протекании через p-nпереход прямого тока в соответствующие слои полупроводника вводятся (инжектируются) неосновные носители, которые там накапливаются. В «p» полупроводник инжектируются электроны, а в «n» полупроводник – дырки. Если в какой-либо момент времени изменить полярность приложенного к диоду напряжения на запирающую, то на начальном этапе после смены полярности обратный ток будет достаточно большим. Это связано с тем, что накопленные неосновные носители в течение некоторого времени возвращаются через p-nпереход в те области, из которых они были инжектированы. И только после вывода всех избыточных неосновных носителей обратный ток через диод будет соответствовать выражению. |