3. Полупроводниковые диоды. Свойства, назначение, основные технические характеристики. Пробой р-n перехода. Стабилитроны.
Основные сведения л полупроводниках.
Полупроводниками называют элементы 4 группы таблицы Менделеева , которые по своей электропроводности, занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводимость полупроводников обусловлена наличием двух видов зарядов, электронов и дырок. Дыркой называют, нескомпенсированный положительный заряд, который остается у атома полупроводника после удаления электронов. Процесс образования электрона и дырки, называется генерацией. А процесс соединения электрона с дыркой, с образованием нейтрального атома, называется рекомбинацией. В чистом полупроводнике, оба этих процесса протекают одновременно. Проводимость полупроводника в этом случае называется собственной и состоит из электронной и дырочной составляющей. Электронная проводимость преобладает из-за большей подвижности свободных электронов. В чистом виде полупроводники используются очень редко. В основном в них добавляют примеси способные увеличит концентрацию носителей заряда того, или иного типа.
Диодом является устройство, представляющее из себя p-n переход, заключенное в корпусе и снабженное двумя выводами.
Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода.
Полупроводниковые диоды классифицируются:
по назначению: выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ- и СВЧ- диоды), импульсные, полупроводниковые стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные, варикапы и др.;
по конструктивно – технологическим особенностям: плоскостные и точечные;
по типу исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенидо - галлиевые и др.
- полупроводниковый диод.
Разновидностью диода является стабилитрон. Рабочим участком для стабилитрона является второй участок ВАХ. Стабилитроны используются для построения стабилизаторов напряжения. Для этой цели стабилитрон включается в обратном направлении, параллельно нагрузке.
Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряжения источника питания на заданном уровне. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих элементов (примесей). Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).
График ВАХ, для диода.
Стабилитрон.
При изменении напряжения питания, или сопротивления нагрузки, изменяется ток протекающий через стабилитрон, но напряжение на его выводах остается постоянным. Вследствии чего остается постоянным и напряжение на нагрузке.
Пробой р-n перехода.
Работы полупроводниковых устройств основана на свойствах электронно-дырочного перехода, которые образуются на месте соединения двух полупроводников с различными типами проводимости(p-n переход).
Пробой p-n перехода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой пробои.
Лавинный пробой (ударная ионизация) является наиболее важным механизмом пробоя p-n-перехода. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения большинства диодов. Пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.
Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещённую зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещённой зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряжённостью электрического поля, то есть наклоном энергетических уровней и зон. Следовательно, условия для туннелирования возникают только при определённой напряжённости электрического поля или при определённом напряжении на электронно-дырочном переходе — при пробивном напряжении. Значение этой критической напряжённости электрического поля составляет примерно 8×105 В/см для кремниевых переходов и 3×105 В/см — для германиевых. Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит от напряжённости электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода.
Поверхностный пробой (ток утечки). Реальные p-n-переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхностных зарядов между p- и n- областями могут образовываться проводящие плёнки и проводящие каналы, по которым идёт ток утечки. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения и может превысить тепловой ток I0 и ток генерации . Ток слабо зависит от температуры. Для уменьшения применяют защитные плёночные покрытия.
Тепловой пробой — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче обратного напряжения практически всё оно падает на p-n-переходе, через который идёт, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся мощность вызывает разогрев p-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. При недостаточном теплоотводе эта мощность вызывает дальнейшее увеличение тока, что приводит к пробою. Тепловой пробой, в отличие от предыдущих, необратим.