1.4. Вольт-амперная характеристика рn-перехода

Вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость тока, протекающего через РN-переход, от значения и полярности приложенного к нему напряжения, достаточно хорошо соответствует выражению

где I₀ — ток насыщения; q — заряд электрона; К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; U — внешнее прило­женное напряжение.

Рис. 7. Вольт-амперные характеристики РN-перехода

Вольт-амперная характеристика реального РN-перехода (рис. 7, а) совпадает с кривой, соответствующей вышерассмотренному выражению до значений обратного напряжения, близких к U_обр. При дальнейшем увеличении U_обр наступает пробой РN-перехода, при котором обратный ток резко возрастает.

Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый, выводящий полупроводниковый прибор из строя). Сущность электрического пробоя состоит в том, что под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей и получают энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера. Двигаясь с большой скоростью в РN-переходе, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их, в результате чего по­являются новые свободные электроны и дырки. Этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к резкому увеличению обратного тока.

Если не ограничить обратный ток (например, включив последовательно с переходом резистор), то электрический пробой перейдет в тепловой, при котором за счет тепловой энергии происходит энергичная генерация пар «электрон — дырка», приводящая к резкому увеличению обратного тока. Увеличение тока приводит к повышению температуры и, значит, к дальнейшей генерации носителей. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к изменению структуры кристалла, выводя его из строя.

Так как повышение температуры усиливает генерацию пар «электрон — дырка», увеличивая собственную проводимость полупроводника, изменения температуры особенно сильно влияют на значение обратного тока, определяемого этим видом проводимости. Для германиевых и кремниевых РN-переходов обратный ток насыщения возрастает вдвое при повышении температуры на каждые 10°С.

Прямой ток РN-перехода значительно меньше зависит от температуры. Это объясняется тем, что он определяется в основном количеством носителей примесной проводимости, которая зависит от концентрации примесей и при изменениях температуры почти не меняется.

Влияние температуры на вольт-амперную характеристику РN-перехода показано на рис. 7, б.

Верхний предел рабочих температур для германиевых приборов 70-90, а кремниевых — 120-150°С.

2. Полупроводниковые элементы автоматики

2.1. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с двумя выводами и одним РN-переходом.

По конструктивно-технологическим признакам диоды подразделяют на точечные и плоскостные, сплавные и диффузионные; по функциональному назначению и принципу образования РN-перехода — на выпрямительные, стабилитроны.

Рис. 8. Конструкция полупроводниковых диодов (а, б); условные обозначения выпрямительного диода (в)

На рис. 8, а схематически изображена РN-структура сплавного германиевого диода, полученного вплавлением индия в пластинку полупроводника N-типа.

На рис. 8, б приведена структура кремниевого диода, полученного эпитаксиальным выращиванием N-слоя на подложке из кремния N+-типа, с дальнейшей диффузией бора, создающего P+-область, через окно в защитной пленке двуокиси кремния. Верхний и нижний выводы присоединены к слоям металла, обеспечивающего омические переходы с РN-структурой, которая помещена в защитный металлический корпус. Условное изображение диодов (рис. 8, в) не зависит от их конструкции.

Вольт-амперная характеристика диодов представляет не что иное, как вольт-амперную характеристику РN-перехода (см. рис. 7).

Кратко рассмотрим особенности и обозначения полупроводниковых диодов различных типов.

Выпрямительные диоды. Это диоды, предназначенные для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный. Их выполняют на сплавных и диффузионных несимметричных РN-пере-ходах. Они характеризуются малым сопротивлением в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи (до десятков и сотен ампер) при допустимых обратных напряжениях до 1000 В. Емкость PN-перехода из-за большой его площади относительно велика (десятки пикофарад), и, следовательно, переходные процессы в них (длительность перехода из открытого состояния в запертое и наоборот при перемене полярности приложенного напряжения) протекают относительно долго.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются: допустимое обратное напряжение U_обр, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения работоспособности; средний прямой ток I_прср — наибольшее допустимое значение постоянного тока, протекающего длительно в прямом направлении; максимально допустимый импульсный прямой ток I_пр при указанной в паспорте наибольшей длительности импульса; средний обратный ток I_обрср — среднее за период значение обратного тока; среднее прямое напряжение U_прср — падение напряжения на открытом диоде; средняя рассеиваемая мощность Р_срд — средняя за период мощность, выделяющаяся в диоде при выпрямлении переменного тока.

При создании выпрямительных схем может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение для одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов (рис. 9, а). Для выравнивания токов, протекающих через диоды, последовательно с диодами целесообразно включать добавочные резисторы R_доб порядка нескольких Ом. Иначе из-за значительных различий прямых сопротивлений диодов токи, протекающие через отдельные диоды, могут превысить допустимые значения и вывести их из строя.

Рис. 9. Параллельное (а) и последовательное (б) включение выпрямительных диодов

В высоковольтных цепях приходится использовать последовательное соединение диодов (рис. 9, б). Обратное напряжение, распределяясь между диодами, пропорционально их сопротивлению в закрытом состоянии, может превзойти допустимое на отдельных диодах. Для выравнивания обратных сопротивлений целесообразно параллельно каждому диоду включать резистор R_ш порядка 100 кОм. В этом случае обратное напряжение разделится поровну между всеми диодами.

Стабилитроны. Это диоды, использующие участок вольт-амперной характеристики РN-перехода, соответствующий обратному электрическому пробою. Стабилитрону, как показывает само название, свойственна стабильность, неизменность падения напряжения на нем при изменениях в несколько раз тока, протекающего через него. Благодаря этому свойству стабилитроны широко применяют в качестве источников опорного напряжения, которое должно оставаться неизменным при каких-либо изменениях других параметров схемы. Применяются они и как стабилизаторы напряжения при небольших мощностях нагрузки.

Работу стабилитрона иллюстрирует схема рис. 10, б. Во избежание теплового пробоя последовательно со стабилитроном всегда включают резистор R₀, ограничивающий ток I_ст, который является обратным током для РN-структуры стабилитрона. При изменениях входного напряжения ΔU_вх(рис. 10, в) изменяется ток ΔI_ст и падение напряжения от этого тока на R₀. Значения тока I_ст и его изменений определяются точками А, В и С пересечения вольт-амперной характеристики РN-перехода и прямых, проведенных под углом arctg R₀ из точек U_вх и его изменений, отложенных на осиU_обр. Точка А определит значение U_ст при среднем значении U_вх, а точки В и С — изменения ΔU_ст при изменениях ΔU_вх.

Рис. 10. Условное обозначение (а), схема включения (б) и вольт- амперная характеристика (а) стабилитрона

Дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке ВС

Если напряжение U_вх может изменяться в обе стороны от своего среднего значения, то точку А выбирают на середине линейного участка вольт-амперной характеристики стабилитрона, причем

Перейдя к приращениям, запишем.

а подставив ΔI_ст, получим

откуда

При R₀>>r_диф получим, что ΔU_ст << ΔU_вх и стабилизация тем лучше, чем больше отношение R₀/r_диф.

Основными параметрами стабилитронов являются: напряжение стабилизации U_ст; минимальный ток стабилизации I_ст, при котором наступает устойчивый электрический пробой РN-перехода; максимальный ток стабилизации I_max. При котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения; дифференциальное сопротивление r_диф; максимальная мощность рассеяния Р_mах, при которой еще не наступает тепловой пробой РN-перехода.

Выпускаются кремниевые стабилитроны на напряжения ста­билизации от 5 до 400 В и на мощности от 250 мВт до 50 Вт.