1.2 Емкость электронно-дырочного перехода

Емкость - перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостей. Наличие барьерной емкости объясняется сосредоточением по обе стороныислоев объемных зарядов, создаваемых ионами примеси разделенных изолятором толщиной, равной ширине -перехода. Это полная аналогия с плоским конденсатором, для которого можно записать

, (1.3)

где - относительная диэлектрическая проницаемость;

- площадь- перехода;

- ширина - перехода.

Барьерная емкость зависит от ширины, а, следовательно, от приложенного напряжения. При подключении обратного напряжения ширина- переходаувеличивается, что равносильно увеличению расстояния между обкладками плоского конденсатора, и это приводит, как видно из последующего выражения, к уменьшению емкости

. (1.4)

При прямом смещении ширина -перехода уменьшается, а емкость растет. Призначение емкости стремится к бесконечности, однако, она оказывается шунтированной малым сопротивлением открытого перехода.

Диффузионная емкость проявляется при прямом включении, которое сопровождается значительным прямым током. Носители заряда, перешедшие через переход в результате диффузии, не успевают рекомбинировать, т.к. они продолжают «жить» в среднем некоторое время(среднее время жизни дырки в- области) и(среднее время жизни электрона в области). Эти заряды накапливаются вблизи границ -перехода, таким образом, мы имеем модель конденсатора, который заряжается током. Диффузионная емкость зависит от прямого токаисреднего времени жизни носителей заряда

, (1.5)

ее величина может составлять сотни и тысячи пикофарад.

Таким образом, при прямом включении учитывают превалирующую диффузионную, а при обратном - барьерную емкость.

1.3 Полупроводниковые диоды и их характеристики

Диодом называют полупроводниковый прибор, который состоит из одного -перехода и имеет два вывода: анод и катод. Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в -переходе.

1.3.1 Выпрямительные диоды

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Для них основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам.Они рассчитываются на значительные токи и имеют большую площадь -перехода. В реальных диодах, как правило, используются несимметричные -переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), обычно, бывает достаточно низкоомной, а другая - высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении перехода практически полностью определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении -перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области (как отмечено выше) ширина -перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то -переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.

Вольт-амперные характеристики реальных диодов и -переходов близки друг к другу, но не одинаковы (рисунок 1.6 ). Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в -переходе не учитывают ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением , приводит к дополнительному падению напряжения, в результате прямая ветвь диода проходит положе, чем в переходе. Обратная ветвь ВАХ диода проходит ниже, чем у идеального перехода, т.к. к току насыщения добавляется ток утечки по поверхности кристалла.

Рисунок 1.6 - Условное обозначение диода (а);

вольт-амперные характеристики (в):

1 - идеального -перехода, 2 – реального диода

Диоды могут производиться на основе германия или кремния; их ВАХ имеют существенные различия (рисунок 1.7)

Рисунок 1.7 - Вольт-амперные характеристики германиевого (1),

кремниевого (2) диодов

Сдвиг прямой ветви характеристики влево обусловлен различием в величине потенциального барьера , а положение обратной ветви определяется различием концентраций неосновных носителей, которые зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника.

Вид вольт-амперной характеристики зависит от температуры полупроводникового кристалла (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Зависимость вида ВАХ диода от температуры

С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде при постоянном значении прямого тока. Прямое напряжение изменяется на 2.1 мВ при изменении температуры на 1ºС.

. (1.6)

Обратный ток увеличивается с ростом температуры в два раза при изменении температуры на 10ºС для германиевых и в три раза для кремневых диодов, однако, следует учитывать, что обратный ток кремневых диодов на три порядка меньше, чем германиевых.

В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:

- во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100...400 Вт;

- работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - лишь от -60 до +85 °С (при температуре выше 85 °С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток, и может привести к потере диодом вентильных свойств).

Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений и больших токов выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5...2 раза меньше, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.

Основные параметры выпрямительных диодов:

максимально допустимое обратное напряжение диода - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;

средний выпрямленный ток диода -среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод;

импульсный прямой ток диода- пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и форме импульса;

средний обратный ток диода - среднее за период значение обратного тока;

среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока ;

средняя рассеиваемая мощность диода - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

дифференциальное сопротивление диода - отношение приращения прямого напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.