§4. Диоды

Диод n-p обладает большим быстродействием, т.к. скорость перемещения электронов во много раз больше скорости движения дырок. У диода может быть два положения:

1. проводящее, когда к сильно легированной стороне – эмиттеру, приложено прямое напряжение (напряжение того же знака, что и носители этой стороны);

2. непроводящее, к эмиттеру приложено обратное напряжение

Приложим к диоду прямое напряжение, при этом I_m не изменяется и равно I₀ – тепловому току.

I_M=I₀exp(qU_д/kT) где q – заряд =1.6*10^-19Кл

k – постоянная Больцмана (1.38*10^-23Дж/K)

T – температура по Кельвину

Следовательно

I_д=I_M-I_m= I₀exp(qU_д/kT-1)

Зная изменение тока диода можно построить его вольт-амперную характеристику (вах) для идеального случая:

Эта вах не учитывает генерационно-рекомбинационных процессов в объеме и на поверхности, считая диод бесконечно длинным и тонким.

В реальном диоде при увеличении обратного напряжения, в нем происходит генерация пар электрон – дырка, образуя ток генерации I_ген, причем при увеличении обратного напряжения увеличивается величина объемного заряда, следовательно количество генерируемых пар тоже увеличивается и возрастает обратный ток.

В реальном диоде так же на поверхности могут быть генерационно-рекомбинирующих процессы, нарушения кристаллической решетки, загрязнение, поэтому появляется ток утечки I_ут.

Отсюда обратный ток диода: I_обр=I₀+I_ген+I_ут

Е сли соблюдаются все нормы тех. процесса изготовления диодов, то I_обр I₀

Прямая ветвь так же отличается, т.к. здесь необходимо учитывать объемное сопротивление базы R_б при больших концентрациях неосновных носителей в базе. И тогда ток диода:

I=I₀exp((qU-I R_б )/kT-1))

Прямой ток так же зависит от температуры. При увеличении температуры увеличивается концентрация носителей в базе, проход их через p-n переход резко увеличивает ток.

Появление обратного тока называется пробоем. Он бывает двух видов: электрический и тепловой – приводящий к разрушению.

Электрический – лавинный используется в стабилитронах, тунельный в тунельных диодах.

§4.1 Параметры диода

1. Статическое сопротивление

R

I

_ст= =ctg , т.е. отношение напряжения к току в заданной точке ВАХ. Может быть только положительным.

U_E

2. Дифференциальное (динамическое) сопротивление

r_д= , т.е. отношение бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока. Может быть отрицательным в случае тунельного диода.

3. При работе на высоких частотах и в импульсных режимах работы проявляется емкость p-n перехода. С_д=С_диф+С_зар+С_корп

С_диф – диффузионная емкость возникает из-за изменения количества дифундируемых и , вызванных изменениями прямого напряжения.

С_диф= ; С_диф= , где

- время жизни дырок

4. С_зар (или барьерная) возникает при обратном напряжении на переходе и изменением объемного заряда.

С_зар=

т.о. С_д=С_корп+С_диф – прямое включение

С_д=С_корп+С_зар – обратное включение

Эквивалентная схема диода

R_пер – сопротивление перехода

R_Б – сопротивление базы

C_пер – емкость перехода

C_К – емкость базы

Совокупность всех этих элементов образует общее сопротивление диода

Z_д=R_д+jX_д

Частотные свойства диода во многом определяются процессами накопления и рассасывания заряда в области p-n перехода.

Для повышения быстродействия необходимо ускорить или исключить эти процессы. Такое возможно, используя диод Шоттки. Здесь имеется контакт металл – полупроводник. Подбором материалов получают, что потенциальный барьер в области контакта различен для электронов и дырок, в результате I_д образуется только за счет основных носителей, область n-p перехода уменьшается, следовательно больше быстродействие.