Лаб 3 / Вопросы

Лаб 3

1. Какие параметры используются в идеализированный модели Шокли для ВАХ р-п перехода?

Диод моделируется, как зависимый источник, зависимость тока I которого от приложенного напряжения V описывается выражением

, формула Шокли, Здесь I0 – ток насыщения – главный параметр диода, определяющийся размерами, особенностями конструкции, типом полупроводника; VT – термический потенциал (VT = kT/q). Кривая 1

2. Каковы отличия ВАХ идеализированного и реального диодов?

Идеализированная модель не отражает важнейших свойств реального диода: возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов (кривая 2). Кроме того, такая модель не учитывает инерционные свойства диода: согласно (1), поведение диода не зависит от частоты и времени.

3. Перечислите рассмотренные в разделе 2 параметры модели реального диода и поясните их физический смысл.

IS – ток насыщения (тепловой ток) при Ткомн. Этот ток называют тепловым из-за сильной зависимости от температуры. В контактах металл-полупроводник и двух полупроводников этот ток обусловлен дрейфом неосновных носителей через внутреннее поле контакта, которое является для них ускоряющим. Поскольку неосновные носители в примесных полупроводниках появляются за счет генерации (в основном, термогенерации), то и величина этого тока зависит непосредственно от температуры.

BV – напряжение пробоя;

RS – минимальное сопротивление открытого состояния (сопротивление базы). сопротивление перехода в целом определяется сопротивлением прилегающих к переходу областей, в первую очередь, сопротивлением базы rб. У диодов Шотки отклонение реальной ВАХ от экспоненты при больших токах проявляется слабее, т.к. для них слабое легирование полупроводниковой области нехарактерно. Значительное расхождение наблюдается также в допробойной части обратной ветви ВАХ. Согласно формуле Шокли при обратных напряжениях обратный ток неизменен и равен току насыщения I0. Однако в реальности на этот ток накладываются ещё несколько токов, растущих с увеличением Uобр.

CJ0 – барьерная емкость при нулевом напряжении;

RL – сопротивление утечки;

EG – ширина запрещенной зоны;

M – показатель степени в выражении для барьерной емкости. Это коэффициент, учитывающий степень влияния обратного напряжения на величину барьерной емкости

VJ – контактная разность потенциалов;

TT – среднее время жизни (время пролета) неосновных носителей в области базы;

RZ – дифференциальное сопротивление на участке пробоя;

4. Какие свойства реального диода отражают соотношения (2) – (6)?

Соотношение (2) описывает ВАХ диода на участке пробоя. Соотношение (3) - это уравнение Шокли, которое хорошо описывает ВАХ диода около нуля

Соотношение (4) показывает вырождение экспоненты в линейную зависимость при большом прямом токе.

Соотношение 5 описывает зависимость теплового тока в диоде от температуры. Соотношение 6 учитывает свойства диода при переменном токе, при этом CJ и CD - барьерная и диффузионная емкость диода соответственно.

5. Чем отличаются ВАХ кремниевого, арсенид-галлиевого р-п диодов, диода Шотки?

Кремниевый диод Шотки имеет меньшее, в сравнении с кремниевым p-n переходом, падение напряжения при прямом токе, а наибольшее падение напряжения– у арсенид-галлиевого. Наименьшее оно - у германиевого диода.

Если сравнить обратные ветви ВАХ диодов из разных материалов, то при одинаковых напряжениях минимальными обратными токами будут обладать кремниевые и арсенид-галлиевые диоды (напряжение пробоя достигает у них тысяч вольт). Гораздо большие обратные токи будут у германиевых диодов и диодов Шоттки, причем у последних напряжение пробоя не превышает десятков вольт, а у германиевых – сотен вольт.

6. Каковы конструктивные особенности высоковольтных диодов?

При заданном обратном напряжении Uобр < Uпр напряжённость поля в p-n переходе можно понижать, увеличивая толщину его обеднённого слоя w. Тем самым достигается увеличение напряжения пробоя Uпр. Увеличение w, согласно (26б), достигается уменьшением концентрации примесей.

Поэтому одну из областей, базу высоковольтного p-n диода делают слаболегированной. Вторую область перехода, эмиттер, делают сильнолегированной. Это позволяет сделать достаточно большой электронную или дырочную составляющие диффузионного тока. Тем самым обеспечивается необходимое значение прямого тока.

7. Каковы конструктивные особенности сильноточных диодов?

Увеличение допустимого прямого тока достигается за счёт увеличения площади p-n и m-n переходов. При этом снижается плотность прямого тока Jпр = Iпр/S, которая не должна превышать критического значения. Кроме того, при увеличении S уменьшается сопротивление открытого состояния, что уменьшает тепловые потери при больших токах.

Особенно большой прямой ток достигается в диодах Шотки, так как их напряжение открытого состояния и тепловые потери в 2…3 раза меньше, чем у p-n диодов. Поскольку в ассиметричных p-n переходах (с эмиттером и базой) одновременно максимизируется обратное напряжение и прямой ток, именно такие, асимметричные переходы наиболее распространены

8. Для чего предназначены стабилитроны, высокочастотные диоды, импульсные диоды, варикапы? Каковы их конструктивные особенности?

Импульсные диоды должны обладать минимальным временем переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. В высокочастотных диодах минимальны паразитные реактивные составляющие 31 токов. То и другое обеспечивается, в основном, минимизацией барьерной и диффузионной ёмкостей диодов.

Уменьшение барьерной ёмкости m-n и p-n переходов достигается уменьшением площади контакта S. Известны также попытки перехода от кремния к полупроводникам с меньшей величиной εε0.

Диффузионная ёмкость отсутствует в диодах Шотки, что делает их основным типом для указанных применений.

Стабилитрон – диод, предназначенный для стабилизации напряжения в режиме электрического пробоя. В таком диоде используется кремниевый p-n переход, отличающийся способностью работать при температурах до 1250 С и малой склонностью к возникновению теплового пробоя.

Варикап – диод, предназначенный для работы в режиме управляемой барьерной ёмкости Cб. При изготовлении варикапа полупроводник, тип примесей и закон их распределения в областях выбираются так, чтобы зависимость Cб(Uобр) была более сильной.

9. Каковы недостатки моделей диода, рассмотренных в разделе 2?

Недостатки модели Шотки - не отражает возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов. Кроме того, такая модель не учитывает инерционные свойства диода: поведение диода не зависит от частоты и времени.