Полупроводниковые диоды

• Название: Полупроводниковые диоды
• Дата: 01.10.2020
• Размер: 100.57 Kb.
• Имя файла: pn.docx
• Тип: Глава; #140547

ГЛАВА 1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды

§ 1.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В р-м-ПЕРЕХОДЕ

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-и-переход), представляющий собой переходный слой между двумя обла­стями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, другая — дырочную.

Разность потенциалов (р_к в переходе, обусловленную гра­диентом концентрации носителей заряда, называют контактной разностью потенциалов:

ф_к = -
(1.1)

где к — постоянная Больцмана; е — заряд электрона; Т — тем­пература; N_a и N_n — концентрации акцепторов и доноров в ды­рочной и электронной областях соответственно; р_р и р„ — кон­центрации дырок в р- и и-областях соответственно; щ — соб­ственная концентрация.

Обычно контактная разность потенциалов имеет порядок десятых долей вольт.

Толщину несимметричного резкого р-н-перехода рассчиты­вают по формуле

(1.2)

где £ — относительная диэлектрическая проницаемость мате­риала полупроводника; е₀ — диэлектрическая постоянная сво­бодного пространства.

Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок от сотых долей до единиц микрометров.

Полупроводниковый прибор с р-и-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (рис. 1.1). Одна го областей р-и-структуры (р⁺), называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупровод­никового диода изображена на рис. 1.2. Здесь же пунктиром по­казана теоретическая ВАХ элект­ронно-дырочного перехода, оп­ределяемая соотношением

1 = 1₀ (е^иЛ^т<Рт) ֊ 1), (1.3)

где /₀ — обратный ток насыще­ния (ток экстракции, обусло­вленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); Ս — напряжение на р-п-переходе; ф_т = = кТ/е — температурный потенциал (к — постоянная Больцма- на, Т — температура, е — заряд электрона); m — поправочный коэффициент: m = 1 для германиевых р-п-переходов и m = 2 для кремниевых р-п-переходов при малом токе.

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми вследствие бо­лее низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обрат­ная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ у кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых.

Влияние температуры на вольт-амперные характеристики. На вольт-амперные характеристики дио­да оказывает существенное влияние температура окружающей среды. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С.. Для германиевых диодов



7₀(Г) = /₀₁.2^֊^о (1.4)







где ток /₀₁ измерен при температуре Т\.

Если через германиевый диод протекает постоянный ток, при изменении температуры падение напряжения на диоде из­меняется приблизительно на 2,5 мВ/°С:

dlJ/dTx ֊2,5 мВ/°С. (1.5)

Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от — 1,5 мВ/°С в нормальном режиме до —2 мВ/°С в режиме микротоков.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, ко­торая составляет 80—100 °С для германиевых диодов и 150 — 200 °С для кремниевых.

Минимально допустимая температура диода лежит в пре­делах —(60 -т- 70)° С.

Дифференциальным сопротивлением диода называют отно­шение приращения напряжения на диоде к вызванному им при­ращению тока:

^гдиф ⁼ dU/dl. (1.6)

Из выражения (1.3) следует, что

Гдиф ФтД- (1.7)



Тесрети- ческая

Рис. 1.3

j /Реальная
Пробой диода. При обратном напряжении диода свы­ше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 1.3). Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-и-переходе (рис. 1.3, кри­вая а) (электрический пробой может быть туннельным или ла­винным), либо в результате разогрева перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (рис. 1.3, кривая б) (тепловой пробой). Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряже­ния свойства диода сохраняют­ся. Тепловой пробой является необратимым. Нормальная ра­бота диода в качестве элемента с односторонней проводи­мостью возможна лишь в режи­мах, когда обратное напряже­ние не превышает пробивного значения. Возможность тепло­вого пробоя диода учитывает­

ся указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения U_o6pm^ и температурного диапазона работы. Напря­жение пробоя зависит от типа диода и температуры окружаю­щей среды.

Значение допустимого обратного напряжения устанавли­вается с учетом исключения возможности электрического про­боя и составляет (0,5 -г- 0,8) U_nro6.

Емкости диода. Принято говорить об общей емкости диода С_д, измеренной между выводами диода при заданных напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости С₆, диффузионной емкости С_даф и емкости корпуса прибора С_к.

Барьерная (зарядная) емкость обусловлена некомпенсиро­ванным объемным зарядом, сосредоточенным по обе стороны от границы р-и-перехода.

Барьерная емкость равна отношению приращения заряда на р-п-переходе к вызвавшему его приращению напряжения:







где ё — диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; П — площадь р-и-перехода.

Из формулы (1.8) следует, что барьерная емкость зависит от площади перехода П, напряжения на переходе U, а также от концентрации примесей. Модельным аналогом барьерной ем­кости может служить емкость плоского конденсатора, обклад­ками которого являются р- и и-области, а диэлектриком слу­жит р-и-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.




Рис. 1.4
Диффузионная емкость. Изменение величины объемного за­ряда неравновесных электронов и дырок, вызванное измене­нием прямого напряжения, можно рассматривать как следствие

наличия так называемой диффузионной емкости, ко­торая включена параллель­но барьерной емкости.

Диффузионная емкость







где X — время жизни носи­телей заряда; 1_пр — прямой ток.

Значения диффузионнои емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-и-перехода определяется преимущественно диффу­зионной емкостью, а при обратном напряжении — барьерной емкостью.

Схема замещения полупроводникового диода изображена на рис. 1.4. Здесь С_д — общая емкость диода, зависящая от ре­жима; R_n — сопротивление перехода, значение которого опреде­ляют с помощью статической ВАХ диода (R_n = U/I); г₆ — рас­пределенное электрическое сопротивление базы диода, его электродов и выводов.

Иногда схему замещения дополняют емкостью между вы­водами диода С_в, емкостями С_вх и С_вых (показаны пунктиром) и индуктивностью выводов կ.

§ 1.2. ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ диодов

Выпрямительные диоды используют для выпрям­ления переменных токов частотой 50 Гц — 100 кГц. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной на­грузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение _ср — среднее за период пря­мое напряжение на диоде при протекании через него макси­мально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток 1_{0бр ср} — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_o6pmax (^обр.итах) наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток /_{вп фтах} — средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Превышение максимально допустимых величин U_o5pmso., U ^ .ишах> ^вл. ср max ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Максимальная частота /_тах — наибольшая частота подво­димого напряжения, при которой выпрямитель на данном дио­де работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превы­шает допустимой величины.

Высокочастотные (универсальные) и им­пульсные диоды применяют для выпрямления токов, мо­дуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве

ключевых элементов в устройствах с микросекунднои и наносе- кундной длительностью импульсов.

Максимально допустимые обратные напряжения U^_pmax (^обр птах) постоянные (импульсные) обратные напряжения, превьпление которых резко сокращает долговечность диода или приводит к его немедленному повреждению.

Постоянное прямое напряжение С/_пр — падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока /_пр, заданного ГОСТом или ТУ.

Постоянный обратный ток /_С|Ср — ток через диод при по­стоянном обратном напряжении на нем; измеряется, как прави­ло, при максимальном обратном напряжении U_{t>5p max}. Чем меньше /_обр, тем качественнее диод.

Емкость диода С_д — емкость между выводами при заданном напряжении. При увеличении обратного напряжения (по моду­лю) емкость С_д уменьшается.

При коротких импульсах необходимо учитывать инерцион­ность процессов включения и выключения диода.

Время восстановления обратного сопротивления t_BCK — ин­тервал времени от момента переключения до момента, когда обратный ток уменьшается до заданного уровня отсчета /_отс. Если на диод, через который протекал прямой ток, подать обратное напряжение, то диод закроется не мгновенно; возни­кает՜ импульс обратного тока, превышающий его установив­шееся значение. Этот импульс обусловлен рассасыванием нако­пленного в базе диода заряда переключения Q_nK. Приближенно Опк ^ ^вос^обр.и*

Там, где требуется малое время переключения, используют диоды. Шотки. Они имеют переход металл — полупроводник, который обладает выпрямительным эффектом. Накопление за­ряда в переходе этого типа выражено слабо. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значений порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по

сравнению с обычными крем­ниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.

^пр		1/
ио5р	Ւ "ст	himin
	hip

Рис. 1.5
Стабилитроны пред­назначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивле­ния нагрузки, для фиксации уровня напряжения и т. д. Для стабилитронов рабо­

чим является участок пробоя ВАХ в области обратных напря­жений (рис. 1.5). На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при изменении тока диода.

Стабилитрон характеризуется следующими параметрами: напряжение стабилизации Ս„ — напряжение на стабилитро­не в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);

минимальный ток стабилизации /_сттш — наименьшее значе­ние тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;

максимально допустимый ток стабилизации /_сттах — наи­больший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.

Дифференциальное сопротивление г_ст' — отношение прираще­ния напряжения стабилизации к вызывающему его прираще­нию тока стабилизации: г_ст = Д[/_Ст/А/_Ст. К параметрам стаби­литронов также относят максимально допустимый прямой ток I_max, максимально допустимый импульсный ток 1֊^ _итах, макси­мально допустимую рассеиваемую мощность Р_тах.

Варикап — полупроводниковый диод, предназначенный для применения в качестве элемента с электрически управляе­мой емкостью. При увеличении обратного напряжения емкость варикапа уменьшается по закону

Си — С₀ [фк/(<Рк + (1-10)

где C_v — емкость диода; С₀ — емкость диода при нулевом обратном напряжении; <р_к — контактная разность потенциалов; ո — коэффициент, зависящий от типа варикапа (п = 2 -гЗ). Вари­кап, предназначенный для умножения частоты сигнала, назы­вают варактором.

К основным параметрам варикапа относят коэффициент перекрытия по емкости к_с — отношение емкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения; добротность Q — отношение реактивного сопротивления на заданной часто­те сигнала к сопротивлению потерь при заданной емкости или обратном напряжении; обратный ток варикапа /_обр — по­стоянный ток, протекающий через варикап в обратном направ­лении при заданном обратном напряжении. К параметрам предельного режима относят максимально допустимое по­стоянное обратное напряжение и максимально допу­стимую рассеиваемую мощность Р_тт.

Туннельный диод имеет ВАХ (рис. 1.6,а), которая со­держит участок с отрицательным дифференциальным сопроти­влением (отношением приращения напряжения к приращению тока). Это позволяет использовать такой диод в усилителях и генераторах электрических колебаний, а также в импульсных




Рис. 1.6




устройствах. Качество диода определяют протяженность и кру­тизна «падающего» участка ВАХ. Частотные свойства диода, работающего при малых уровнях сигнала на участке с отрица­тельным дифференциальным сопротивлением, определяются параметрами элементов эквивалентной схемы (рис. 1.6,6). Ак­тивная составляющая полного сопротивления имеет отрица­тельный знак вплоть до частоты







(1.11)

Усиление и генерирование колебаний возможно на частотах, не превышающих /_R.

Основные параметры туннельного диода следующие: пи­ковый ток կ — прямой ток в точке максимума ВАХ, при кото­ром dl/dU — 0; ток впадины կ — прямой ток в точке минимума его характеристики, при котором dl/dU = 0; отношение токов Կ/Կ; напряжение пика U_n — прямое напряжение, соответ­ствующее току пика; напряжение впадины U_B — прямое напря­жение, соответствующее току впадины; напряжение раствора U_p — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому; индуктивность Լ_ռ — полная по­следовательная индуктивность диода при заданных условиях; удельная емкость С_д//_П — отношение емкости туннельного дио­да к пиковому току; дифференциальное сопротивление г_тф — ве­личина, обратная крутизне ВАХ; резонансная частота туннель­ного диода /₀ — расчетная частота, при которой общее реактив­ное сопротивление р-и-перехода и индуктивности корпуса туннельного диода обращается в нуль; предельная резистивная частота f_R — расчетная частота, при которой активная соста­вляющая полного сопротивления последовательной цепи, со­стоящей из р-п-перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль; шумовая постоянная туннельного диода К_ш — величина, определяющая коэффициент шума диода; сопротивление по­терь туннельного диода R_n — суммарное сопротивление кри­сталла, контактных присоединений и выводов.

К максимально допустимым параметрам относят макси­мально допустимый постоянный прямой ток туннельного диода /_пргпах, максимально допустимый прямой импульсный ток կр_ЯШах, максимально допустимый постоянный обратный ток /_обршах, максимально допустимую мощность СВЧ Р_СВЧтах, рас­сеиваемую диодом.

ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ

1. 
   Имеется сплавной германиевый р-п-переход с концен­трацией N_a = 10³ N_a, причем на каждые 10⁸ атомов германия приходится один атом акцепторной примеси. Определить кон­тактную разность потенциалов при температуре Т = 300 К (концентрации атомов N и ионизованных атомов и, принять равными 4,4 10^{2 2} и 2,5-10¹³ см"³ соответственно).
   

Решение

Определим концентрацию акцепторных атомов: ДГ_а = JV/10⁸ = 4,4- 10²²/10⁸ = 4,4-10¹⁴ см՜³

(ЛГ = 4,4-10²² см՜³ — концентрация атомов германия).

Концентрация атомов доноров N_a = 4.4-10¹⁷ см՜³.

Контактная разность потенциалов

2. 
   Удельное сопротивление р-области германиевого р-п- перехода р_р = 2 Ом • см, удельное сопротивление п-области р„ = 1 Ом • см. Вычислить контактную разность потенциалов (высоту потенциального барьера) при Т = 300 К, если подвиж­ности электронов и дырок в германии соответственно равны р„ = 0,39 и р_р = 0,19 м²/ (В • с).
   

Решение

Известно, что удельное сопротивление р-области полупро­водника

1 1

р ₌ — « ,

ст_р N_ae[i_p

где ДГ_а — концентрация акцепторов; е — заряд эл'ектрона; Рр — подвижность дырок. Отсюда

^-^ձ:⁼2-1,6ա.10-»-1900 ⁼¹'⁶⁵-^{1015 СМ}՜³