4. Пассивные полупроводниковые компоненты электронных цепей

4.1. Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Полупроводниковый диод – конструктивная совокупность p-n-перехода и контактов, обладающая свойствами односторонней проводимости. Под p-n-переходом понимается область объемного заряда, образующаяся по обе стороны границы раздела двух полупроводниковых слоев n- и p-типа (см. рис. 4.1).

K n p A

p-n-переход

Рис. 4.1. Структура и обозначение полупроводникового диода

Контакт, присоединенный к p-слою, называется анод, а к n-слою – катод. Основными материалами для изготовления диодов служат кремний, германий, арсенид галлия, карбид кремния и ряд других. Введение специальных примесей позволяет создать в n-слое избыток свободных отрицательно заряженных носителей – электронов, а в p-слое избыток свободных положительно заряженных носителей – дырок. При соединении слоев n- и p-типов происходит рекомбинация свободных носителей заряда так, что по обе стороны от металлургической границы формируются нескомпенсированные ионы атомов акцепторной примеси в p-слое и донорной примеси в n-слое. Так как ионы неподвижны и в p-слое имеют отрицательный заряд, а в n-слое положительный, то такая система может рассматриваться как плоский заряженный конденсатор. Внутри такого конденсатора свободные носители заряда отсутствуют, его сопротивление велико. Таким образом, p-n-переход представляет собой область, обедненную носителями заряда и обладающую внутренним потенциальным барьером. При включении диода во внешнюю цепь с источником напряжения и ограничивающим сопротивлением возможны две ситуации. Прямое включение, когда + источника приложен к p-слою, характеризуется уменьшением высоты потенциального барьера на величину приложенного напряжения и соответственно увеличением тока диода. При обратном включении, когда + источника приложен к n-слою, высота потенциального барьера увеличивается на величину приложенного напряжения, обкладки конденсатора как бы раздвигаются и ток диода уменьшается. Внешне указанные явления отражаются в нелинейной форме ВАХ диода (рис. 4.2):

I = I₀ (exp( U/_t) – 1), (4.1)

где I₀ – тепловой ток перехода, имеющий порядок 10^-12 А для кремния; _t – температурный потенциал; U – напряжение на диоде.

Тепловой ток изменяется при изменении температуры со скоростью примерно 16 %/K. Температурный потенциал прямо пропорционален абсолютной температуре T:

^t = kT/q, (4.2)

где k = 1,38^.10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана; q = 1,6^.10^-19 Кл – заряд электрона. При комнатной температуре (T = 300 K) _t  26 мВ. На прямой ветви ВАХ диода (1 квадрант, U > 0) прямой ток возрастает в 10 раз при каждом увеличении U на 60 мВ. В этом случае в формуле (4.1) exp(U/^t) >> 1 и можно пренебречь единицей. В обратном включении (U < 0) экспоненциальный член в уравнении (4.1) становится малым по сравнению с единицей и ток диода I = - I₀. Если для крутого участка прямой ветви ВАХ диода провести касательную до ее пересечения с осью напряжений, то получим точку U_*  0,6 В.

Рис. 4.2. Вольт-амперная характеристика диода

Это напряжение называется напряжением отпирания диода (для диодов с барьером Шоттки U_*  (0,4-0,5) В, для германиевых диодов U_*  (0,2-0,3) В). Для упрощения расчетов схем с диодами принято, что прямая ветвь при достижении напряжения отпирания идет параллельно оси тока. Это означает, что диод в прямом включении эквивалентен источнику напряжения с малым внутренним сопротивлением. Значение внутреннего сопротивления оценивается по формуле r = dU/dI, поэтому r еще называют дифференциальным сопротивлением. Учитывая, что из (4.1) U = _t Ln (I/ I₀ – 1), имеем

r = _t/I. (4.3)

Так, например, при прямом токе I = 10 мА дифференциальное сопротивление диода составляет 26 мВ/10 мА = 2,6 Ом. При напряжениях, меньших U_*  0,6 В, ток диода резко падает, поэтому можно считать, что прямая ветвь практически совпадает с осью напряжений. Напряжение отпирания изменяется от температуры со скоростью примерно –2мВ/K, т.е. с увеличеним температуры ВАХ "прижимается" к оси тока, причем dI/dT = (dU/dT)/r = (–dU_*/dT)/r . Для предыдущего примера имеем dI/dT = (2мВ/2,6 Ом)/K  0,7 мА/K. Таким образом, с увеличением температуры прямой ток диода довольно существенно увеличивается. Этот факт необходимо учитывать при разработке схем с диодами.

На ход обратной ветви ВАХ реального диода оказывают влияние два обс-тоятельства. Во-первых, обратный ток диода больше теплового примерно на два порядка за счет наличия тока термогенерации: I_обр = – (I₀ + I_тг)  I_тг  10^-10 А. Явление термогенерации заключается в возникновении в области объемного заряда электронно-дырочных пар в результате флуктуаций температуры и разделении носителей полем p-n–перехода. Во-вторых, при увеличении обратного напряжения до некоторого критического значения U_s происходит электрический пробой p-n-перехода, подобный электрическому пробою диэлектрика обычного конденсатора. В результате обратный ток диода увеличивается до значений, соизмеримых со значениями прямого тока (единицы–десятки миллиампер). При этом обратная ветвь ВАХ резко изгибается вниз и идет почти параллельно оси тока. Если при наступлении электрического пробоя выделяющаяся мощность превысит допустимую мощность рассеяния диода, наступает тепловой пробой, в результате которого диод выходит из строя. В отличие от теплового, электрический пробой является обратимым, когда при снятии внешнего напряжения свойства диода полностью восстанавливаются. Явление электрического пробоя используется в стабилитронах – диодах, предназначенных для стабилизации и ограничения напряжения на уровне U_s  (3–100) В. В режиме электрического пробоя дифференциальное сопротивление стабилитрона имеет такой же порядок, что и при прямом включении, и составляет единицы–десятки Ом. Еще одним важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения стабилизации ТК_ст = dU_s/dT, В/K. ТК_ст показывает, на сколько вольт изменится напряжение U_s стабилизации при изменении температуры на 1 ^оС.

Модель p-n–перехода как своеобразного полупроводникового конденсатора, расстояние между обкладками которого можно "регулировать" с помощью внешнего напряжения, нашла применение в специальных диодах – варикапах. Емкость диода имеет две составляющие: барьерную и диффузионную. Барьерная емкость отражает перераспределение зарядов в переходе и характеризует изменение ширины перехода под действием обратного напряжения. Общий вид зависимости барьерной емкости от напряжения – гиперболический: C_б  A/U, где А – некоторая постоянная, диапазон изменения которой лежит от единиц до сотен пикофарад. Диффузионная емкость отражает перераспределение зарядов в базе (p-слое) и характеризует накопление избыточного заряда при протекании прямого тока: чем больше прямой ток, тем больше диффузионная емкость. Именно диффузионная емкость определяет инерционные свойства диода, ограничивая его быстродействие как на высоких частотах, так и при работе с импульсными сигналами. Наиболее эффективно проблема уменьшения диффузионной емкости решается в диодах Шоттки. Вместо классического p-n–перехода и носителей двух типов (электронов и дырок), в диодах Шоттки потенциальный барьер с областью, обедненной носителями заряда, создается на границе раздела "металл-полупроводник" за счет разной работы выхода. Поскольку и в металле, и в полупроводнике присутствуют только основные носители одного знака – электроны, то эффекты накопления и рассасывания неосновных носителей практически отсутствуют и, следовательно, диффузионная емкость минимизируется. В то же время ВАХ диодов Шоттки более точно, чем у обычных диодов, описывается формулой (4.1) с напряжением отпирания (0,4–0,5) В. Другим достоинством диодов Шоттки является их высокая технологичность. Поэтому эти диоды нашли самое широкое распространение в интегральной и гибридной схемотехнике.