Лекция 3

Лекция 3.

Пробой p-n перехода.

Согласно ВАХ, I_обр=I₀ остается постоянным, не зависящим от обратного напряжения, однако при достаточно большом U_обр наблюдается резкое возрастание I_обр – это называется пробоем p-n-перехода, а напряжение, при котором это происходит, напряжением пробоя.

Пробои делятся на:

1) Тепловой.

2) Электрический, который в свою очередь делится на туннельный и лавинный (без перегрева).

1) Электрический пробой обратимый, т.е. после уменьшения величины обратного напряжения p-n-переход принимает свои первоначальные выпрямительные свойства.

Лавинный пробой происходит из-за лавинного размножения неосновных носителей слабо легированных “широких” p-n-переходов. При достаточно большой напряжённости электрического поля электроны достигают скоростей, при которых выбивают из атома полупроводника валентные электроны, которые в свою очередь выбивают новые. Этот процесс происходит лавинообразно.

Туннельный пробой происходит в сильно легированных “узких” p-n-переходах, и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов, в результате которого в объёме p-n-перехода образуется электронная дырка.

2) Тепловой пробой, необратимый, он сопровождается разогревом p-n-перехода обратным током. При повышении температуры p-n-перехода число неосновных носителей заряда возрастает. Это приводит к увеличению J_обр, что приводит к ещё большему разогреву p-n-перехода. Разрушается (расплавляется) кристаллическая решетка, электрические свойства не восстанавливаются.

Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод – объём полупроводника с одним p-n-переходом и двумя выводами. Большинство диодов выполняются на основе несимметричных p-n-переходов. Одна из областей диода высоко легированная, называется эмиттер, другая слабо легированная – база. Несимметричный p-n-переход размещается в базе.

Обозначения полупроводника диода.

ВАХ идеального диода совпадает с ВАХ p-n-перехода:

В реальном диоде прямая и обратная ветви отличаются от идеальных. При прямом смещении необходимо учитывать объёмное сопротивление областей базы и эмиттера диода. Это приводит к тому, что ВАХ прямая ветвь смещается вправо и зависит линейно от приложенного напряжения. Обратная ветвь диода зависит от величины обратного напряжения, т.е. наблюдается рост обратного тока. Это объясняется:

1.Генерационно-рекомбинационными процессами в p-n-переходах.

2.Наличием тока утечки.

ВАХ реального диода.

, где R₀ – объёмное сопротивление базы эмиттера.

Эквивалентная схема диода при больших напряжениях.

R_б>>R_э

R_en-сопротивление поверхности

p-n-перехода между двумя областями

Эквивалентная схема диода при малых напряжениях.

Состоит только из линейных элементов.

R_p-n-дифференциальное сопротивление диода на рабочем участке.

С_p-n-ёмкость диода на рабочем участке.

Влияние температуры на ВАХ диода.

С повышением температуры растёт число неосновных носителей, а следовательно и тепловой ток p-n-перехода J₀. Это влияет на прямую и обратную ветвь диода.

T₁>T₀

I_0(T)=I₀(T₀)2^(T-To)/T*

Прямая ветвь диода с повышением температуры смещается влево. Это смещение характеризуется температурным коэффициентом напряжения для диода ТКН=-2,3мв/с⁰.

Классификация диодов по их назначению.

1.Выпрямительные.

2.Импульсные.

3.Стабилитроны.

4.Варикапы.

5.Туннельные диоды.

1.Выпрямительные.

Предназначаются для выпрямления низкочастотного переменного тока, и используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока, в однополярный. Поскольку выпрямительные диоды требуют больших величин выпрямленных токов, то все они имеют большую площадь p-n-перехода, а следовательно, и большие значения J_обр и C_p-n.

Основные параметры выпрямительных диодов.

1.J_{пр ср max} - максимально допустимый средний, прямой ток. Превышение его вызывает разрушение диода от перегрева.

2.U_пр – прямое напряжение на p-n-переходе при заданном прямом токе.

3.J_обр - величина обратного тока при определённом обратном напряжении.

4.U_обр – максимально допустимое обратное напряжение после которого наступает пробой диода.

5.Предельно допустимая мощность, рассеиваемая диодом.

Трансформатор служит для понижения напряжения. Диод служит для выпрямления переменного тока.

Двухполупериодный выпрямитель.

Импульсные диоды.

Предназначены для работы с импульсными сигналами (быстро изменяющимися во времени). Диоды в таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:

1. Замкнутое. R_vd =0

2. Разомкнутое. R_vd= ∞

Таким же требованиям удовлетворяют и диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения.

3. Быстродействие ключа. В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает величину ёмкости диода. Факторами, ограничивающими скорость переключения диода является:

а) ёмкость.

б) скорость диффузии.

в) время рассасывания неосновных носителей заряда.

Основные параметры импульсных диодов аналогичны параметрам выпрямительных диодов, кроме того, имеют специфические, учитывающие быстродействие переключения.

1. Ёмкость диода (1пФ)

2. Время установления прямого напряжения на диоде (прямого сопротивления). Определяется скоростью диффузии инжектированных в базу неосновных носителей заряда, в результате чего изменяется сопротивление базы. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода. Обнаружить время установления диода можно из следующего эксперимента.

3.Время восстановления обратного сопротивления диода. Определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения достигает своего станцеонарного значения.

Диоды Шотки.

В них электрический переход выполнен на границе металл-полупроводник. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник, например, n-типа.

На границе металл-полупроводник. Создаётся область, обеднённая основными носителями, которая имеет несимметричную ВАХ.

При работе в диодах Шотки неосновные носители не участвуют. Отсутствие неосновных носителей снимает проблему их накопления и рассасывания, а потому t_уст и t_восст равны нулю. А потому диоды Шотки имеют высокое быстродействие переключения.