Диоды (раздел 1)

Лекция 3

Общие сведения, принцип действия и основные параметры

полупроводниковых диодов и стабилитронов.

Содержание:

1.7 Полупроводниковый диод

1.8 Типы диодов

1.9 Параллельное и последовательное соединение диодов

1.10 Стабилитрон

1.11 Параметрический стабилизатор напряжения

1.12 Стабистор

1.7 Полупроводниковый диод. . Графическое изображение на принципиальных схемах.

ВАХ p-n перехода и ВАХ полупроводникового диода.

1.7.1 Полупроводниковые диоды

Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обуславливается применением структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной p, а другой – электронной n проводимостью (рис. 1.8,а). Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов, протекающих на границе раздела p и n–слоев, в так называемом электронно–дырочном переходе (p-n-переходе). Условное графическое обозначение диода на принципиальных электрических схемах приведено на рис.1.8,б. Размеры элементов (a и b) условного графического обозначения диода следует взять из таблицы 1, приведённой в приложении к лекции 3.

1.7.2 Вольт-амперная характеристика идеального диода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеального диода приведена на рис. 1.9 и имеет вид отрезков прямых, совпадающих с осями координат. При наличии прямого тока через идеальный диод падение напряжения на нем равно нулю, а при приложении к идеальному диоду обратного напряжения его обратный ток равен нулю.

Рис. 1.9 ВАХ идеального диода

Вольт- амперная характеристика p-n-перехода.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода (рис. 1.10) описывается эмпирическим выражением:

, (1.1)

г де ток насыщения , где – площадь сечения p-n-перехода, – плотность дрейфового тока, – напряжение на р-n-переходе, – тепловой потенциал ( для кремния при температуре ). При прямом напряжении (U>0) в выражении (1.1) можно пренебречь единицей, т.к. . Поэтому прямая ветвь имеет вид экспоненты. При обратном напряжении (U<0) в выражении (1.1) можно пренебречь экспоненциальной составляющей, т.к и обратный ток p-n-перехода примерно равен току насыщения по абсолютной величине и имеет отрицательное значение.

На рис.1.10 пунктиром показана ВАХ диода при большей температуре. Интенсивность генерации основных носителей заряда определяется температурой. При увеличении температуры возрастает интенсивность генерации неосновных носителей заряда и, следовательно, возрастает обратный ток . Однако при увеличении температуры возрастает и температурный потенциал и, следовательно, уменьшается экспоненциальная составляющая в выражении (1.1). Но рост тока превышает уменьшение экспоненциальной составляющей, поэтому с ростом температуры прямое падение напряжения на диоде уменьшается.

1.7.3 Вольт-амперная характеристика реального диода

Прямая ветвь ВАХ реального диода отличается от ВАХ p-n перехода из-за наличия объемного сопротивления слоев полупроводника, прилегающих к p-n-переходу. На схеме замещения диод может быть представлен последовательно включёнными линейным и нелинейным сопротивлениями. Причём линейное сопротивление является по сути сопротивлением слоёв р и n полупроводника, прилегающих к p-n-переходу, а нелинейное сопротивление – сопротивление прямой ветви p-n-перехода, ВАХ которой приведена на рис.1.10.

На рис.1.11 показана ВАХ реального диода, полученная суммированием ВАХ p-n-перехода и ВАХ объемного сопротивления слоев полупроводника, прилегающих к p-n-переходу.

На рис.1 12 приведена обратная ветвь ВАХ реального диода. Отличие обратной ветви ВАХ реального диода от ВАХ p-n-перехода обусловлено наличием двух факторов:

- током утечки через p-n-переход;

- дополнительной генерацией носителей заряда.

Оба фактора приводят к тому, что обратная ветвь вольт–амперной характеристики диода принимает вид, показанный на рис. 1.12. Вследствие наличия различных загрязнителей (пыль и т.п.) на внешней поверхности p-n-структуры повышается ее поверхностная электрическую проводимость и при наличии обратного напряжения возникает обратный ток через диод, называемый током утечки. Ток утечки связан линейной зависимостью с напряжением . Эта составляющая обратного тока обусловливает появление наклонного участка 1–2 на характеристике диода (рис. 1.12). Кроме того на участка 1–2 ВАХ наблюдается некоторый рост обратного тока из-за нагрева диода под действием тока утечки.

Влияние генерации носителей заряда в p-n-переходе обычно сказывается при повышенных обратных напряжениях. Оно проявляется вначале в виде некоторого роста обратного тока по мере роста обратного напряжения (участок 2–3), а затем в резком возрастании обратного тока (участок 3–5), вызванным пробоем p-n-перехода.

В зависимости от причин, вызывающих появление дополнительных носителей заряда в p–n–переходе, различают электрический пробой, проявляющийся на участке 3 – 4, и тепловой пробой, проявляющийся на участке 4 – 5. Электрический пробой, в свою очередь, может быть лавинным или туннельным. Рассмотрим эти виды пробоя.

Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей в p-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Он происходит следующим образом. Неосновные носители заряда, поступающие в p-n-переход при действии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответствующей напряженности электрического поля, носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда – электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер.

Лавинный пробой возникает в широких p–n–переходах, где при движении под действием электрического поля носители заряда, встречаясь с большим количеством атомов кристалла, в промежутке между столкновениями приобретают достаточную энергию для их ионизации.

В основе туннельного пробоя лежит непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный ток через p-n-переход. Туннельный пробой развивается в узких p-n-переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля.

Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением почти вертикального участка 3–4 на обратной ветви вольт–амперной характеристики (рис. 1.11). Причина этого заключается в том, что небольшое повышение напряжения на p-n-переходе вызывает более интенсивную генерацию в нем носителей заряда при лавинном или туннельном пробое.

Оба эти вида пробоя являются обратимыми процессами. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении обратного напряжения на диоде его свойства сохраняются.

Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в p-n-переходе при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно и ввиду неоднородности p-n-перехода обычно носит локальный характер. Лавинообразное развитие теплового пробоя обуславливается тем, что увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка p-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выхода прибора из строя.

Тепловой пробой может произойти и в результате перегрева отдельного участка p-n-перехода вследствие протекания большего обратного тока при лавинном или туннельном пробое (участок 4–5 на рис. 1.12). Тепловой пробой здесь является следствием недопустимого повышения обратного напряжения (перенапряжения). Велика вероятность наступления теплового пробоя при общем перегреве p-n-перехода ввиду ухудшения, например, условий теплоотвода. В этом случае он может произойти при меньшем напряжении , минуя стадии лавинного или туннельного пробоя.

Возможность теплового пробоя p–n–перехода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения и температурного диапазона работы. Величина допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,50,8) U_пр.