2. Структура контакта «Металл-полупроводник» (мп) и полупроводниковые диоды на основе этой структуры.

Одна из областей такой структуры является металлом, а другая  полупроводником.

Структуры МП, в зависимости от функционального назначения, могут выполнять как выпрямляющие функции p-n-перехода, так и функции обычных омических контактов.

а)

б)

Рис.1.6.

На рис.1.6. показаны: условное графическое изображение диода Шоттки на схемах(рис.1.6 а), ВАХ диода Шоттки (VDШ) и выпрямительного диода (VD _{обычный})

В основе работы диодов Шоттки используется эффект Шоттки: ток в них образуется за счёт основных носителей, следовательно, накопления объёмного заряда не происходит, влияние диффузионной ёмкости сведено практически к нулю. Поэтому переключающие свойства электронных приборов, выполненных на основе контакта «металл-полупроводник», гораздо выше по сравнению с приборами на основе контакта «полупроводник-полупроводник».

Большой интерес представляет структура контакта полупроводника с диэлектриком (Si-SiO₂), в основе которого лежит влияние свойства среды, с которой граничит полупроводник, на свойства приповерхностного слоя. Примером могут служить контакты МП, так как наличие металла на поверхности полупроводника приводит к образованию в нём обеднённого или обогащённого слоёв; если кремний имеет проводимость n-типа, то электроны, перешедшие в него из SiO₂, обогащают приповерхностный слой основными носителями, образуя, при этом, n-канал («незапланированный») Возникновение таких незапланированных каналов под слоем SiO₂ нормализует работу ИС.

Статические параметры диодов

Все параметры диодов перечислить невозможно (их много), да и разумнее будет назвать лишь те параметры, которые широко используются для диодов разных групп:

• I_{пр.макс} ─ максимально допустимый прямой постоянный ток;

• r_диф ─ дифференциальное сопротивление диода по переменной составляющей тока;

• r₀ ─ статическое сопротивление диода по постоянной составляющей тока (определяется в рабочей точке на ВАХ);

• U_пр. = U^* ─ падение напряжения на открытом диоде, соответствующее номинальному току;

• I_обр ─ постоянный обратный ток через диод, когда он закрыт;

• U_обр ─ обратное напряжение ─ наибольшая разность потенциалов, приложенная к диоду, когда он закрыт;

• S ─ крутизна ─ характеризует проводимость диода на участке «анод-катод»; на крутизну ВАХ заметное влияние оказывает сопротивление, распределённое в слое базы ─ r_б.

• P_адоп ─ Мощность рассеяния, допустимая для определённого типа диода. Превышать её нельзя: прибор выйдет из строя.

Для силовых диодов величина токов и обратных напряжений может достигать килоампер и киловольт соответственно.

Конкретное использование выпрямительных диодов в блоках питания смотрите в разделе «Источники вторичного электропитания».

4. Математическая модель диодов, практическая ценность модели

При анализе электронных схем на ЭВМ все электронные приборы должны быть представлены их физическими и математическими моделями.

Общее определение для математической модели полупроводниковых приборов

Математической моделью полупроводниковых приборов называется система уравнений, описывающих физические процессы в приборе. В математическую модель входят физическая модель прибора и математические выражения, описывающие элементы этой модели. Один и тот же прибор можно описать несколькими математическими моделями: важна степень точности модели прибора, то есть степень соответствия прибора и модели.

Простые модели диода первого порядка полезны для выполнения анализа вручную. Такие модели дают не очень высокую точность, но они помогают понять работу схемы и обозначить её главные параметры

4.1. Модели для ручного анализа

Уравнение идеального диода позволяет формировать простейшую модель диода при ручном анализе диодных цепей (рис.1.7)

Приведённая модель (рис.1.7) даёт довольно точные результаты, но имеет недостаток: имеет сильную нелинейность.

Рис.1.7.

Для получения более точных результатов рекомендуется использование сложных моделей хотя бы второго порядка и компьютерное моделирование.

4.2. Компьютерное моделирование.

Компьютерное моделирование используется для более сложных цепей.

На рис.1.8. представлена более сложная физическая модель диода и его ВАХ. После аппроксимации ВАХ видно, что наибольшая погрешность модели приходится на участок, где U _пр < U _д0.

а)

б)

Рис.1.8.

r_б ─ омическое сопротивление, распределённое в слое базы.

r_ут ─ сопротивление утечки реального диода.

УИТ ─ управляемый источник тока (I_д), который моделирует статическую ВАХ диода.

Этот ток можно представить выражением

I_проб ─ источник тока, который моделирует увеличение тока через диод при обратных напряжениях, близких к пробивному (U_проб)

Этот ток можно представить выражением

С_бар и С_диф ─ ёмкости диода, которые отражают динамические свойства диода (или переходные процессы в диоде)

Зависимость С_бар от приложенного напряжения можно представить уравнением

где ψ; γ ─ параметры аппроксимации (ψ ≈ 1; γ ≈ 0,3…0,5)

С_бар0 ─ барьерная ёмкость при напряжении на диоде U_д = 0.

Диффузионную ёмкость, как накопитель неосновных неравновесных носителей можно представить уравнением

где τ_э ─ эффективная постоянная времени.

В диодах с широкой базой τ_э рассматривается как время жизни неосновных носителей в базе.

В диодах с узкой базой τ_э рассматривается как время пролёта носителей через базу.

m ─ коэффициент плавности; этот параметр вводится для того, чтобы определиться ─ с резким или плавным p-n-переходом имеем дело. Для резкого перехода (когда переход от n-материала к p-материалу не имеет протяжённости) m = 0,5, а для плавного (или линейного) m = 1/3.

Вывод.

Если при анализе электронных схем будет использоваться приведённая на рис.11.18 динамическая модель диода, то предварительно придётся определить следующие параметры модели:

где I₀ ─ ток насыщения; I_д ─ номинальный ток открытого диода;

φ_t ─ тепловой потенциал; φ₀ ─ контактная разность потенциалов при нулевом смещении на переходе; φ_д ─ контактная разность потенциалов с учётом коэффициента эмиссии.

В качестве примера компьютерного моделирования воспользуемся стандартной PSPICE-моделью диода (ри.1.9)

Статическая ВАХ диода в PSPICE-модели моделируется нелинейным источником тока «I_пр», который описывается уравнением идеального диода

Рис.1.9.

При необходимости в уравнение можно ввести коэффициент эмиссии «n» («nφ_t»), но, как правило, он равен единице, поэтому, в данном уравнении его нет.

Резистор R_обл моделирует последовательное сопротивление, вносимое областями по обе стороны перехода: при более высоких уровнях тока, сопротивление тоже не остаётся постоянным, и поэтому напряжение U_д будет отличаться от внешнего прикладываемого напряжения. И величина тока тоже может оказаться ниже той, которую получаем из уравнения идеального диода.

Ёмкость С_д (нелинейная ёмкость) моделирует переходные процессы в диоде, связанные с эффектом накопления объёмного заряда в базе.

Данная модель не отражает такие эффекты как пробой, высокие уровни инжекции и шум, это уже эффекты второго порядка, которые могут быть отражены в более сложной модели. Моделирование простых и более сложных моделей диода можно выполнять, используя пакет PSPICE: последние десятилетия показали, что PSPICE-модель является наиболее успешной.