Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
21
В равновесном состоянии, которое соответствует отсутствию напряжения на p-n-переходе, малое число основных носителей заряда (электронов), обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, уравновешивается встречным движением такого же малого числа неосновных
носителей заряда (дырок), свободно дрейфующих в поле перехода. В результате ток, протекающий через p-n-переход, равен
нулю.
Если положительный полюс источника электроэнергии
соединен с p-областью диода, а отрицательный — с n-областью,
то электрическое поле источника ослабляет до малой величины
действие пространственных зарядов — снижает потенциальный
барьер диода, вследствие чего резко возрастает диффузия, а
вместе с ней и ток через p-n-переход (рис. 2.6). Такое включение
полупроводникового диода называется прямым.
Рис. 2.6. Энергетическая диаграмма
прямосмещенного p-n-перехода
При обратном включении полупроводникового диода, когда с p-областью соединен минус источника напряжения, а с n-
областью — плюс этого источника, внешнее поле усиливает поле пространственных зарядов и удаляет носители заряда с обеих
сторон перехода. Через p-n-переход создается в этом случае
p-cлой
n-cлой
φ
F
0
φ
22
весьма малый ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда (рис. 2.7). Но из-за этого тока обратное сопротивление полупроводникового диода является конечной величиной.
Рис. 2.7. Энергетическая диаграмма
обратносмещенного p-n перехода
Рис. 2.8 представляет типичную вольт-амперную характеристику (ВАХ) p-n-перехода при обратных напряжениях меньше напряжения пробоя. Область 1 соответствует прямому смещению p-n-перехода, область 2 — обратному.
Рис. 2.8. Вольтамперная характеристика
идеализированного полупроводникового диода:
1 — прямое смещение p-n-перехода;
2 — обратное смещение p-n-перехода
0
φ
p-cлой
n-cлой
φ
F
-I
S
1
2
I
U
-U
23
Падение напряжения при пропускании прямого тока у
германиевых диодов составляет Uпр = 0,3 … 0,6 В, у кремниевых
диодов — Uпр = 0,8 … 1,2 В. Большие падения напряжения при
прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падением напряжения на германиевых диодах
связаны с большей высотой потенциального барьера
р-n-переходов, сформированных в кремнии. С увеличением
температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с снижением высоты потенциального барьера. При повышении температуры р-n-перехода число не основных носителей
заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей
заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает.
Вольтамперная характеристика идеализированного полупроводникового диода описывается выражением:
/
( 1)
qU kT
S
I I e=−
, (2.9)
где IS — обратный ток насыщения электронно-дырочного перехода; T — температура перехода, ºК.
Физические процессы, происходящие в реальном диоде,
позволяют оценить основные отличия характеристики реального
прибора от вольт-амперной характеристики идеализированного
диода, описываемой уравнением (2.1).
При невысокой степени легирования базы ее объемное
сопротивление (
б
r
) при протекании прямого тока может ока-
заться сравнимым по величине с сопротивлением перехода.
В этом случае нельзя считать, что напряжение внешнего источника целиком приложено к p-n-переходу, и необходимо учитывать спад напряжения не только на переходе, но и на объемном
сопротивлении базы:
б
p n r
U U U
−
=+
. (2.10)
Согласно выражению (2.9) зависимость величины тока в
диоде от прямого напряжения должна быть экспоненциальной.
Однако реальные характеристики диодов отклоняются от этого
24
идеализированного закона. Напряжение U, соответствующее
некоторому заданному значению прямого тока I, тем больше,
чем меньше обратный ток IS. У кремниевых диодов, ток IS которых значительно меньше, чем у германиевых, начальный участок прямой ветви будет более пологим.
Прямой ток, протекая в базе, создает падение напряжения
на сопротивлении базового слоя:
.
б
r б
UIr=
(2.11)
Это падение напряжения значительно уже при I 2 мА.
Поэтому участок вольтамперной характеристики, соответствующий токам I 2 мА, оказывается более пологим (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода:
1 — экспоненциальная; 2 — измененная за счет падения
напряжения на объемном сопротивлении базы
2.3. Пробой p-n-перехода
При некотором критическом значении обратного напряжения на p-n-переходе малый обратный ток начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем p-n-перехода. Для
большинства типов диодов пробой — явление нежелательное,
поскольку из-за резкого роста тока в p-n-переходе выделяется
U
U
Б
0
I
2
1
25
большое количество тепла, что приводит к необратимым структурным изменениям. Если мощность, выделяющаяся в
p-n-переходе, не превышает предельно допустимую, то
p-n-переход сохраняет работоспособность и после пробоя. По-
этому для некоторых типов диодов пробой является основным
рабочим режимом.
Различают три основных механизма пробоя: тепловой, ла-
винный и туннельный. Лавинный и полевой пробои — электри-
ческие. Резкий рост обратного тока p-n-перехода возможен при
увеличении числа носителей в самом p-n-переходе. При тепловом пробое это происходит за счет выделения тепла на сопротивлении перехода при прохождении через него обратного тока.
Напряжение пробоя, как показывают расчеты, определяется обратным током p-n-перехода, температурным коэффициентом
обратного тока и тепловым сопротивлением конструкции диода,
которое характеризует мощность, отдаваемую от p-n-перехода в
окружающую среду при разности температур между ними в
один кельвин. Наиболее сильна зависимость напряжения теплового пробоя от температуры окружающей среды. При ее увеличении пробивное напряжение уменьшается, так как усиливается
тепловая генерация носителей и уменьшается перепад температур между p-n-переходом и средой.
Лавинный пробой p-n-перехода — это пробой, вызванный
лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Неосновные носители, проходя через
область p-n-перехода при обратном напряжении, приобретают в
сильном электрическом поле на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточную для образования новых
электронно-дырочных пар путем ударной ионизации атомов полупроводника. Вновь образованные носители тоже попадают в
сильное электрическое поле и на длине свободного пробега
приобретают достаточную для ионизации следующего атома
энергию. Процесс развивается лавинообразно, что и отражает
название пробоя. Повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое (рис. 2.10,
кривая 2).
26
Рис. 2.10. Явление пробоя:
Кривая 1 соответствует температуре 20 ºС,
Кривая 2 соответствует температуре 70 ºС
Туннельным пробоем p-n-перехода называют пробой, вызванный квантово-механическим туннелированием носителей
заряда через запрещенную зону полупроводника без изменения
их энергии. Туннелирование возможно, если толщина потенциального барьера, который должны преодолеть электроны, достаточно мала. Условия для туннелирования возникают только при
определенной напряженности электрического поля или при
определенном напряжении на p-n-переходе — при пробивном
напряжении. Значение этой критической напряженности состав-
ляет примерно
5
108
В/см для кремниевых и
5
103
В/см для
германиевых диодов. Туннельный пробой p-n-перехода может
происходить только в полупроводниках с большой концентрацией примесей, так как для туннелирования нужны малая толщина потенциального барьера и, следовательно, малая толщина
перехода. При таких условиях пробивные напряжения тоже невелики, обычно не более 5 В. С повышением температуры вероятность туннелирования носителей через барьер увеличивается,
а пробивное напряжение при туннельном пробое с ростом температуры уменьшается (рис. 2.10, кривая 1).
2 1
U
I
20 ºC
70 ºC
0
27
2.4. Параметры полупроводникового диода
К параметрам диодов относятся:
1. Предельные электрические величины:
– максимальный прямой ток диода, не приводящий к выходу его из строя (I
пр max
);
– максимальное обратное напряжение, не вызывающее
пробоя диода (U
обр max
);
– максимальная рассеиваемая мощность диода;
– обратный ток диода при подаче обратного напряжения
(I
обр max
).
Для импульсных диодов в справочниках указывают значения I
пр max
и U
обр max
для импульсного режима, в котором полу-
проводниковый диод может выдерживать большие напряжения
и токи, чем в режиме по постоянному току.
2. Предельно допустимая температура диода.
Максимально допустимое из требований теплоотвода и
физики процессов работы диода увеличение его обратного тока
определяет максимально допустимую температуру, которая составляет 75–80 C для германиевых диодов и 120–125 C для
кремниевых диодов.
Минимально допустимая температура диода определяется
энергией ионизации акцепторных и донорных примесей и достигает –200 C, практически из соображений климатической
устойчивости ее устанавливают в пределах от –60 до –70 C.
3. Сопротивление диода по постоянному току.
Это сопротивление равно отношению постоянного напряжения, приложенного к диоду, к соответствующей величине постоянного тока:
D
U
R
I
=
.;
(2.12)
4. Дифференциальные параметры полупроводникового диода.
К дифференциальным параметрам относят величины, связывающие малые изменения тока диода с малыми изменениями
независимых переменных:
28
– дифференциальное сопротивление диода:
D
r dU dI=
;
(2.13)
– дифференциальная проводимость диода в выбранной
точке ВАХ:
1
D
r
g dI dU ==
;
(2.14)
– дифференциальная температурная чувствительность тока диода:
()
α
IT
dI dT=
;
(2.15)
– дифференциальная температурная чувствительность
напряжения диода:
()
α
UT
dU dT=
.
(2.16)
Дифференциальное сопротивление зависит от тока
и от приложенного к диоду напряжения. При U < 0 сопротивле-
ние
D
r
велико — от нескольких десятков кОм до сотен МОм.
При подключении прямого напряжения к диоду его дифференциальное сопротивление уменьшается с ростом I и U.
Для идеализированного диода сопротивление
D
r
опреде-
ляется выражением:
0
()
D
kT
r
q I I
=
+
.
(2.17)
По графику вольтамперной характеристики диода в
окрестности рабочей точки
D
r
определяется как:
29
.
D
T const
U
r
I
=
=
(2.18)
На практике получил применение температурный коэф-
фициент напряжения (ТКН). Этот коэффициент используется для
оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода.
В окрестности рабочей точки ТКН определяется как:
()
α
UT
I const
U
UT
=
=
.
(2.19)
Другой нашедший практическое применение дифферен-
циальный параметр — температурный коэффициент тока (ТКТ).
Этот коэффициент используется для оценки температурной зависимости обратной ветви ВАХ до наступления режима пробоя.
В окрестности рабочей точки ТКТ определяется следующим
образом:
()
α
IT
U const
I
IT
=
=
.
(2.20)
На практике ТКН и ТКТ определяют по вольт-амперным
характеристикам диода, измеренным для нескольких значений
температуры;
5. Емкость p-n-перехода.
Емкость p-n-перехода зависит от приложенного напряже-
ния и состоит из двух величин.
Барьерная емкость характеризует емкость p-n-перехода
при подключении к нему обратного напряжения и обусловлена
наличием нескомпенсированного заряда в его обедненной области. Величина барьерной емкости зависит от значений обратного напряжения.
Диффузионная емкость характеризует емкость p-n-пере-
хода при подключении к нему прямого напряжения и обусловлена процессом накопления подвижных носителей заряда в n-
30
и p-областях. Величина диффузионной емкости прямо пропор-
циональна прямому току через переход. При достаточно больших токах через переход диффузионная емкость может быть на
несколько порядков больше барьерной емкости;
6. Температурный потенциал.
Температурный потенциал зависит от температуры корпу-
са диода (Т) и определяется как:
( ) ( )
00T
V k T q T T=
,
(2.21)
где T0 — комнатная температура (300 К).
Полупроводниковые диоды подразделяются на группы по
ряду классификационных признаков, основными из которых
являются:
– по методам изготовления перехода (сплавные, диффузион-
ные, планарно-эпитаксиальные, точечные, диоды Шоттки и др.);
– по используемому материалу (германиевые, кремние-
вые, арсенидо-галлиевые и др.);
– по физическим процессам, на использовании которых
основана работа диода (туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна и др.);
– по назначению (выпрямительные, универсальные, им-
пульсные, стабилитроны, стабисторы, детекторные, параметрические, смесительные, СВЧ диоды и др.).
2.5. Выпрямительные диоды, импульсные диоды,
диоды Шоттки
Этот тип диодов применяют для выпрямления переменного тока промышленной частоты (50 Гц). В бортовой аппаратуре
кораблей и самолетов частота переменного напряжения составляет 400 Гц. Иногда выпрямительные диоды работают при еще
больших частотах, вплоть до десятков килогерц.
К числу основных справочных параметров выпрямительных диодов относятся:
– максимально допустимый прямой ток;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]