Фролов работа. КЛ ОП.06 Материаловедение, ЭРМ и РК 11.02.16 Фролов. Конспект лекций по дисциплине оп. 06 Материаловедение, электрорадиомате риалы и радиокомпоненты для студентов специальности 11. 02. 16 сост. Фролов А. Л
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
Тема 3.5 Полупроводниковые диоды 1.Устройство полупроводниковых диодов. Разновидности полупроводниковых дио- дов и их применение. Система обозначений, цветовая маркировка полупроводнико- вых диодов. Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор с одним или несколькими электрическими переходами и двумя выводами для подключения к 25 внешней цепи. Принцип действия большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрических переходах. Диоды классифицируются: по материалу (селеновые, германиевые, кремниевые, ар- сенид-галлиевые); структуре перехода (точечные, плоскостные); назначению (выпря- мительные, импульсные, стабилитроны и т.д.); диапазону частот (низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные диоды (СВЧ-диоды)); виду вольт-амперной характеристики и т.д. Система обозначений полупроводниковых диодов. Для маркировки полупровод- никовых диодов используется буквенно-цифровая система условных обозначений со- гласно ОСТ 11.336.919-81. Первый элемент – буква или цифра, характеризует используемый материал: Г(1) – германий (Ge); К(2) – кремний (Si); А(3) – галлий (Ga) и его соединения; И(4) – ин- дий In и его соединения. Второй элемент – буква, характеризует функциональное на- значение диода: Д – выпрямительный; В – варикап; И – туннельный и обращенный; С – стабилитрон и стабистор; Л – излучающий светодиод. Третий элемент – цифра, характеризует назначение диода и содержит информацию о специальных параметрах диода. Например, для диодов группы Д: 1 – выпрямительные маломощные (ток до 300 мА); 2 – выпрямительные средней мощности (ток до 10 А); 3 – диоды большой мощности (ток свыше 10 А); 4–9 – диоды импульсные с различным временем восста- новления. Четвертый элемент (2–3 цифры) – порядковый номер разработки (для ста- билитрона – напряжение стабилизации в десятых долях вольта). Пятый элемент – бу- ква, характеризует группу диодов с различными параметрами. Вольт-амперная характеристика, пробой и общие параметры диодов. Зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенно- го к его выводам внешнего напряжения называется ВАХ диода: , (8) где – тепловой потенциал, равный 26 мВ при Т=300 К; – обратный ток насыщения, сильно зависящий от температуры. Уравнение (8) называ- ют теоретической, или идеализированной, ВАХ диода. В нем не учте- но последовательное сопротивление потерь диода, т.е. суммарное эквивалентное ак- тивное сопротивление кристалла, омических контактов и выводов диода С учетом этого сопротивления реальная ВАХ диода имеет вид . (9) Различают два основных вида пробоя: электрический пробой и тепловой. В свою очередь электрический пробой делится на лавинный и туннельный. Лавинный про- бой характерен для диодов с широкими переходами, образованными областями с не- высокой концентрацией легирующей примеси ( ). Если длина свободно- го пробега носителей заряда меньше ширины перехода, то при больших значениях 26 обратного напряжения (от 7 до 400 В) носители заряда приобретают кинетиче- скую энергию, достаточную для развития лавинообразного процесса ионизации ато- мов полупроводника, что и вызывает резкий рост обратного тока при почти неизмен- ном Туннельный пробой развивается в диодах с очень узкими переходами, образованными областями с высокой концентрацией легирующей примеси ( ). Туннель- ный пробой p-n-перехода обусловлен квантово-механическим туннельным эффектом, когда из-за малой толщины энергетического потенциального барьера имеется высокая вероятность прохождения зарядов сквозь него без изменения энергии. При определен- ном обратном напряжении происходит туннельное проникновение электронов валент- ной зоны p-области на свободные энергетические уровни зоны проводимости n- области. В планарных диодах электрический пробой происходит на участке перехода, выхо- дящем на поверхность полупроводниковой структуры, так называемый поверхност- ный пробой. Это обусловлено наличием на поверхности n-базы диода положительно- го объемного заряда, который приводит к уменьшению толщины перехода вблизи поверхности и соответствующему уменьшению напряжения пробоя. Тепловой пробой возникает вследствие перегрева электрического перехода проте- кающим через него обратным током при недостаточном теплоотводе. За счет термо- генерации носителей в переходе возрастает обратный ток диода, и рост подводимой к диоду мощности приводит к еще большему разогреву перехода. Диоды характеризуются рядом параметров, которые являются общими для всех ти- пов диодов. К ним относятся: рабочий диапазон температур перехода ; максимально допустимый прямой ток , при котором температура перехода достигает максимального значения ; максимально допустимое обратное напряжение , при котором не происходит пробояp-n-перехода, обычно ; прямая и обратная максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде: ; (10) , (11) где – температура окружающей среды; – тепловое сопротивление перехода, характеризующее условия теплоотвода; прямое и обратное статическое сопротивление диода (сопротивление постоянному току): ; ; (12) прямое и обратное дифференциальное сопротивление (сопротивление переменному току): 27 ; . (13) Дифференциальное сопротивление диода значительно меньше статического. Величину называют коэффициентом выпрямления (характери- зует односторонний характер проводимости диода, т.к. Способность диода накапливать электрические заряды отражается его емкостными параметрами. Существует два механизма накопления зарядов, которые описываются двумя емкостными параметрами. Барьерная емкость отражает наличие объемного электрического заряда ионизиро- ванных атомов примеси в p-n-переходе, который можно рассматривать как плоский конденсатор. Расстояние между обкладками этого конденсатора определяется шири- ной p-n-перехода . Выражение для зависимости барьерной емкости от напряжения на переходе имеет вид ,(14) где – площадь поперечного сечения перехода; – величина барь- ерной емкости при нулевом напряжении на переходе ; – параметр, значение которого определяется профилем легирования перехода; – обратное на- пряжение на переходе. Величина барьерной емкости составляет десятки – сотни пи- кофарад, поэтому ее действие проявляется практически только при обратном вклю- чении, когда переход закрыт и протекают малые обратные токи. Диффузионная емкость отражает накопление электрического заряда неосновных не- равновесных носителей в p- и n-областях при прямом включении перехода. Величина диффузионной емкости пропорциональна прямому току перехода: ,(15) где – эффективное время жизни неосновных неравновесных носителей. При пря- мом токе перехода 10 мА величина диффузионной емкости составляет десятки – сотни нанофарад. В случае несимметричного перехода накопление неравновесных носителей происходит преимущественно в базе диода. Кроме общих параметров диоды характеризуются специальными параметрами, при- сущими только данному типу диодов. Выпрямительные диоды 1,2 В у кремниевых). 0,6 В при протекании прямого тока (по сравнению с 0,8 предназначены для преобразования переменного тока с часто- той от 50 до 20 000 Гц в пульсирующий ток одного направления и широко использу- ются в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. В качестве полупроводникового материала для таких диодов ранее использовали гер- маний, в настоящее время – кремний и арсенид галлия. Принцип работы выпрями- 28 тельных диодов основан на вентильном свойстве p-n-перехода. Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности. Диоды малой мощности предназначены для выпрямления токов до 300 мА, средней и большой мощности – для выпрямления токов соответственно от 300 мА до 10 А и от 10 до 1000 А. Преимущества кремниевых диодов по сравнению с германиевыми: малые обратные токи; возможность использования при более высоких температурах окружающей среды и больших значениях обратных напряжений. Преимущество гер- маниевых диодов – малое падение напряжения 0,3 С. Другим преимуществом диодов из арсенида галлия является значительно большая подвижность носителей, что позволяет их использовать на частотах до 100…500 кГц. 280 С, арсенид-галлиевые – до 240 150 С, кремниевые – до 120 80 В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные, сплавные, диффузионные и эпитаксиальные диоды, выполненные на основе несимметричных p- n-переходов. Барьерная емкость перехода из-за большой площади велика и ее значе- ние достигает десятков пикофарад. Германиевые диоды могут быть использованы при температурах не более 70 Максимальное обратное напряжение маломощных низкочастотных выпрямительных диодов лежит в пределах от нескольких десятков до 1200 В. Для более высокого на- пряжения промышленностью выпускаются выпрямительные столбы, использующие несколько последовательно соединенных диодов в одном корпусе. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА – для кремниевых. Мощные (силовые) диоды различаются по частотным свойствам и работают на час- тотах в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц и изготавливаются преиму- щественно из кремния. Работа при больших прямых токах и высоких обратных напряжениях связана с выде- лением значительной мощности в p-n-переходе. Поэтому в установках с диодами средней и большой мощности используются охладители – радиаторы с воздушным и жидкостным охлаждением. При воздушном охлаждении тепло отводится с помощью радиатора. При этом охлаждение может быть естественным (за счет конвекции воз- духа) или принудительным (с использованием обдува корпуса прибора и радиатора с помощью вентилятора). При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость (вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости). К основным параметрам выпрямительных диодов относятся: – максимально допустимый прямой ток ; – прямое падение напряжения на диоде (при ); – максимально допустимое обратное напряжение ; – обратный ток при заданном обратном напряжении (при ); – диапазон рабочих температур окружающей среды; – коэффициент выпрямления ; – предельная частота выпрямления, соответствующая уменьшению коэффициента выпрямления в 2 раза. 29 Емкость конденсатора, обеспечивающая амплитуду пульсаций напряжения на на- грузке при максимальном токе нагрузки ,определяется согласно выраже- нию . (16) Емкость диода слагается из емкости корпуса и емкости p-n-перехода ( ). Уменьшение емкости корпуса достигается применением корпусов специальной конструкции. С этой же целью высокочастотные диоды часто выполняются вообще без корпуса, в этом случае они используются как составная часть гибридной инте- гральной схемы или модуля, который размещается в герметичном корпусе. Прямая ветвь ВАХ точечного диода практически не отличается от реальной ВАХ p-n- перехода, а обратная ветвь не имеет ярко выраженного участка насыщения, что объ- ясняется процессами генерации носителей заряда в неоднородном поле точечного контакта, вызванной лавинным умножением. Импульсные диоды 40 мВт). предназначены для работы в импульсных и цифро- вых устройствах. Обозначаются так же, как и выпрямительные, имеют малую дли- тельность переходных процессов. От выпрямительных диодов отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и характеризуются рядом параметров, оп- ределяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30 При воздействии на диод коротких по времени прямоугольных импульсов напряже- ния или тока форма тока через диод или напряжения на нем будет отличаться от пря- моугольной, что обусловлено инерционностью процессов накопления и рассасывания носителей в базе и перезарядом его барьерной емкости. При малых уровнях напряже- ния и тока длительность переходных процессов определяется барьерной емкостью, а при больших – диффузионной. Для уменьшения необходимо уменьшить объем полупроводниковой структуры и увеличить скорость рекомбинации неосновных носителей, что достигается техноло- гией изготовления импульсных диодов: введением в исходный материал нейтральных примесей, чаще всего золота (Au), для создания так называемых «ловушек» – центров рекомбинации. Импульсные диоды характеризуются рядом специальных параметров: – общая емкость диода (десятые доли – единицы пикофарад); – максимальное импульсное прямое напряжение ; – максимально допустимый импульсный ток ; – время установления прямого напряжения – интервал времени между началом протекания прямого тока через диод и моментом, когда прямое напряжение на диоде достигает 1,2 установившегося значения (доли наносекунд – доли микросекунд); – время обратного восстановления диода – время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через 30 нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения (доли наносекунд – доли микросекунд). Для уменьшения применяют специальные разновидности импульсных дио- дов:диоды с барьером Шотки (ДБШ), диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В ДБШ переход выполнен на основе выпрямляющего контакта металл-полупроводник, в ко- тором работа выхода из металла выше, чем работа выхода из полупроводника. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их бы- стродействие зависит только от скорости процесса перезаряда барьерной емкости. Инжекция в таких диодах является односторонней, инжектируют электроны из полу- проводника в металл, где они являются единственным типом носителей. По этой причине отсутствует накопление неосновных носителей в базе. Конструктивно ДБШ выполняются в виде пластины низкоомного кремния n-типа, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На по- верхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Инерционность ДБШ в основном определяется барьерной емкостью выпрямляющего контакта, кото- рая может быть меньше 0,01 пФ. В ДНЗ база изготавливается неравномерно легированной по длине. Концентрация примеси в базе по мере приближения к p-n-переходу уменьшается, поэтому неравно- мерной оказывается и концентрация основных носителей базы – электронов, если ба- за имеет проводимость n-типа. За счет этого электроны диффундируют в сторону p-n- перехода, оставляя в глубине базы избыточный положительный заряд атомов донор- ной примеси, а вблизи перехода избыточный заряд электронов. Между этими заряда- ми возникает электрическое поле, направленное в сторону перехода. Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу при прямом включении диода, концен- трируются (накапливаются) в базе у границы перехода. При переключении диода с прямого на обратное направление эти дырки под действием поля внутри перехода быстро уходят из базы в эмиттер, и время восстановления обратного сопротивления уменьшается. Для изготовления таких диодов применяется меза- и эпитаксиальная технология. Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на ко- тором сохраняется с определенной точностью при протекании через него тока в за- данном диапазоне, и предназначенный для стабилизации напряжения. Принцип дей- ствия стабилитронов основан на использовании электрического вида пробоя p-n- перехода при обратном смещении. В качестве стабилитронов используются плоско- стные кремниевые диоды. Как показано на рис. 10, обратная ветвь ВАХ имеет участок со слабой зависимостью напряжения от величины обратного тока (участок с электрическим пробоемp-n- перехода). При изменении тока стабилитрона в диапазоне значений от до напряжение на стабилитроне незначительно изменяется в пределах от до , что обусловливает небольшое значение дифференциального сопротивле- ния стабилитрона: 31 . (17) Рис. 10 Напряжение стабилизации обычно определяется среднеарифметическим значе- нием минимального и максимального тока стабилитрона: . (18) Величина обратного напряжения, при котором начинает развиваться электрический пробой, в значительной степени зависит от удельного сопротивления исходного ма- териала, определяемого концентрацией примеси. В стабилитронах с напряжением стабилизации менее 5 В преобладает туннельный пробой, от 5 до 7 В наблюдаются оба вида электрического пробоя – туннельный и лавинный, а выше 7 В преобладает лавинный пробой. При изменении температуры напряжение стабилизации изме- няется. Низковольтные и высоковольтные стабилитроны имеют противоположный знак изменения напряжения стабилизации при увеличении температуры. При тун- нельном пробое с ростом температуры уменьшается, а при лавинном – возраста- ет.В стабилитронах с напряжением стабилизации от 5 до 7 В влияние температуры незначительно, т.к. в переходе существуют оба вида пробоя. Основными параметрами стабилитронов являются: – напряжение стабилизации – падение напряжения на стабилитроне при проте- кании заданного тока стабилизации; – минимальный и максимальный токи стабилитрона в режиме стабили- зации; – температурный коэффициент напряжения стабилизации (19) – отношение относительного изменения напряжения стабилизации, выраженного в процентах, к вызвавшему его изменению температуры; 32 – дифференциальное сопротивление стабилитрона , определяемое на участке пробоя; – статическое сопротивление . (20) Полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжений менее 1 В с использованием прямой ветви ВАХ, называются стабисторами. Для изготов- ления стабисторов используется кремний с высокой концентрацией примеси либо се- лен. Устройство, предназначенное для стабилизации постоянного напряжения, в котором используется стабилитрон, называется параметрическим стабилизатором напряже- ния, поскольку его характеристики полностью определяются параметрами стабили- трона. Принципиальная схема такого стабилизатора представлена на рис. 11. Нагруз- ка подключена параллельно стабилитрону, при этом напряжение на ней остается по- стоянным с определенной степенью точности. Ток стабилитрона, который задается гасящим или балластным резистором , должен лежать в диапазоне значений . Требуемое сопротивление резистора находится согласно выраже- нию Рис. 11 , (21) где , которое получено из уравнений, записанных по законам Кирхгофа для данной схемы. Варикап – полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Они делятся на подстроечные, или варикапы, и умножительные, или варакторы. Варикапы ис- пользуются для изменения резонансной частоты колебательных контуров. Варакторы применяются для умножения частоты. График зависимости емкости варикапа от об- ратного напряжения, которая описывается выражением (21). Основными специальными параметрами варикапов являются: – номинальная емкость , измеренная при заданном обратном напряжении ; – коэффициент перекрытия по емкости – отношение емкостей вари- капа при двух заданных значениях обратного напряжения; – сопротивление потерь – суммарное активное сопротивление, включающее со- противление кристалла, контактных соединений и выводов; 33 – добротность – отношение реактивного сопротивления варикапа на задан- ной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь; – температурный коэффициент емкости – отношение относитель- ного изменения емкости, выраженного в процентах, к вызывавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды. Схема включения варикапа в колебательный контур. Обратное напряжение подается на варикап через высокоомный резистор , предотвращающий шунтирование вари- капа малым внутренним сопротивлением источника питания по переменному току. Разделительный конденсатор устраняет шунтирование варикапа индуктивностью контура по постоянному току. Кроме рассмотренных диодов выпускаются туннельные диоды, диоды Ган- на, лавинно-пролетные диоды, работающие в диапазоне сверхвысоких частот (0,3…300 ГГц), а также фото- и излучательные диоды, используемые в фотоэлек- трических и оптоэлектронных приборах и в качестве светоиндикаторных уст- ройств. Тема 3.6 Транзисторы 1 Устройство и принцип действия транзистора. Разновидности биполярных транзи- сторов. Система обозначений. Полевые транзисторы. Биполярные транзисторы относятся к группе полупроводниковых приборов. Они имеют три вывода и два р-n-перехода. Принцип работы этих устройств позволяет ис- пользовать и положительные и отрицательные заряды, то есть, дырки и электроны. Управление током, протекающим через них, осуществляется специально выделенным управляющим током. Благодаря своим качествам, этот активный прибор получил широкое распространение. Основой биполярных транзисторов являются трехслойные полупроводники, типа «р-n-р» и «n-р-n», а также р-n-переходы, в количестве двух. Каждый полупроводниковый слой соединяется с внешним выводом через невыпрям- ляющий металло-полупроводниковый контакт. В качестве базы используется сред- ний слой, подключенный к соответствующему выводу. Два крайних слоя также со- единяются с выводами и называются эмиттером и коллектором. На схемах эмиттер обозначается стрелкой, которая показывает направление тока, проходящего через транзистор. В различных приборах, носители электричества дырки и электроны вы- полняют собственные индивидуальные функции. Тип n-р-n транзисторов получил наибольшее распространение, по сравнению с р-n-р-типом, благодаря лучшим харак- теристикам и параметрам. Это связано с тем, что в n-р-n устройствах основная роль отводится электронам, обеспечивающим все электрические процессы. Их подвиж- ность в 2-3 раза выше, чем у дырок, таким образом, они проявляют более высокую активность. Кроме того, свойства любого прибора улучшаются за счет того, что пло- щадь перехода коллектора существенно превышает площадь перехода эмиттера. В состав каждого биполярного транзистора входят два р-n-перехода. Поэтому, работо- способность таких приборов проверяется путем контроля сопротивления этих пере- ходов во время подключения к ним прямого и обратного напряжения. Нормальная 34 работа n-р-n-прибора обеспечивается путем подачи на коллектор положительного на- пряжения. За счет этого, осуществляется открытие базового перехода. При появлении базового тока, возникает коллекторный ток. Если в базе возникает отрицательное на- пряжение, то в этом случае происходит закрытие транзистора. Оптимальная работа р- n-р-устройств зависит от наличия на коллекторе отрицательного напряжения. С его помощью, базовый переход становится открытым. Закрытие транзистора производит- ся при наличии положительного напряжения. Путем плавных изменений значений тока и напряжения, можно получить все необходимые выходные коллекторные ха- рактеристики. В схемах усилителей могут присутствовать режимы общей базы или общего эмиттера. Свойства полевых транзисторов К полевым транзисторам относят- ся устройства, в которых управление всеми процессами осуществляется действую- щим электрическим полем, направленным перпендикулярно току. Они еще носят на- звание униполярных транзисторов. В своей конструкции эти приборы имеют три контакта, называемые истоком, стоком и затвором. Кроме этого, существует прово- дящий слой, называемый каналом, по которому происходит течение тока. Устройства данного типа могут быть «р» или «n» канальными. Расположение и конфигурация каналов бывает вертикальное или горизонтальное, объемное или приповерхностное. Среди приповерхностных каналов также происходит разделение. Они существуют в качестве инверсионных слоев или могут быть обогащенными и обедненными носите- лями. Все виды каналов формируются под влиянием внешнего электрического поля. В обедненных каналах присутствуют участки с однородными полупроводниками, ко- торые отделяются от поверхности с помощью обедненного слоя. Приборы, имеющие приповерхностные каналы, структурно состоят из металла-диэлектрика- полупроводника. Они получили наименование МДП-транзисторов. |