Konsp_Lec_MKREA

Это объясняется тем, что при увеличении внешнего прямого напряжения увеличивается напряжённость внешнего электрического поля Eвнеш ,

уменьшается потенциальный барьер, возрастает диффузионный ток и его протекание приводит к частичному устранению накопившегося на границе перехода заряда неподвижных ионов. А это, в свою очередь, уменьшает напряжённость внутреннего электрического поля Eвнутр и ещё сильнее снижает

потенциальный барьер.

Следует заметить, что при прямом напряжении на p-n переходе, равном потенциальному барьеру, т.е. U пр 0 , обеднённый слой исчезает, а прямой ток

диода, если его рассчитывать по формуле (10.5), асимптотически возрастает до бесконечности при приближении U пр к 0 . В реальных полупроводниковых

приборах разумеется это не так, однако можно считать прямое напряжение на p-n переходе практически постоянным в широком диапазоне токов. Например, прямое напряжение на открытом полупроводниковом германиевом диоде можно считать равным примерно 0,3 В, а на кремниевом равным примерно

0,7 В.

В режиме обратного смещения (при отрицательных напряжениях) характер зависимости тока от напряжения изменяется. Уже при

|U | | 100 | мВ 4 UT можно считать exp( U ) 0 , а ток

UT

I Iобр .

При этом, как видно из рис. 10.1, обратный ток фактически не зависит от обратного напряжения. Это объясняется тем, что концентрация создающих обратный ток дрейфа неосновных носителей заряда в обеднённом слое настолько мала, что увеличение обратного напряжения, а значит и увеличение суммарного электрического поля, не может увеличить количество переходов через границу контакта, а приводит лишь к увеличению скорости перемещения неосновных зарядов.

На ВАХ реального p-n перехода при определённом значении обратного напряжения возникает резкое увеличение обратного тока. Это явление называют пробоем p-n перехода. Различают два вида пробоя: электрический и

101

тепловой. Электрический пробой в свою очередь бывает туннельным или лавинным. Причиной туннельного пробоя является так называемый туннельный эффект, который объясняется наличием у электрона волновых свойств. Туннельный пробой имеет место в тонких p-n переходах с шириной порядка 0,01 мкм. Лавинный пробой имеет место в широких p-n переходах и

заключается в следующем. При обратном смещении перехода неосновные носители заряда ускоряются электрическим полем с большим значением напряжённости и приобретают большую дополнительную энергию. Если энергия таких неосновных носителей превышает ширину запрещённой зоны, то при их столкновении с атомами кристаллической решётки происходит ионизация последних и генерация дополнительных электронно-дырочных пар. При большом обратном напряжении на переходе этот процесс принимает лавинообразный характер, что приводит к резкому возрастанию обратного тока.

Причиной теплового пробоя является разогрев кристалла при протекании через него большого обратного тока. В случае, когда тепла в кристалле выделяется больше, чем отводится в окружающую среду, – его температура возрастает. Возрастание температуры усиливает процесс генерации электронно-дырочных пар, что приводит к дальнейшему возрастанию обратного тока и ещё большему нагреванию полупроводника. Данный процесс принимает лавинообразный характер и в результате приводит к расплавлению кристалла.

Как правило, при чрезмерном увеличении обратного напряжения на p-n переходе сначала возникает электрический лавинный пробой, который затем переходит в тепловой, разрушающий структуру кристалла.

Если измерить токи, протекающие через p-n переход при подаче на него прямого и обратного напряжения равной величины, то они будут отличаться в тысячи и более раз. В этом и заключается свойство односторонней проводимости, широко используемое в различных полупроводниковых приборах.

Более полную информацию о работе p-n перехода в условиях прямого и обратного смещения, происходящих в кристалле полупроводника явлениях при воздействии внешнего напряжения, расчёте ВАХ p-n перехода, влиянии на ВАХ температуры, освещения, материала полупроводника, величины концентрации примеси можно получить в следующих источниках.

102

Список литературы

1.Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник.

– 4-е изд., перераб и доп. – К.: Вища школа, 1989. – 423 с.

2.Справочник по радиоэлектронике. Т.1 / под ред. А.А. Куликовского. –

Энергия, 1967. – 648 с., ил.

3.Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. под ред.

А.Ф. Трутко: М., «Энергия», 1973. – 656 с., ил.

4.Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – М.: Корона Принт, 2006. – 415 с.

5.Полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы и технология их производства: Учебник / Ю.Е. Гордиенко, А.Н. Гуржий, А.В. Бородин, С.С. Бурдукова. – Харьков: «Компания СМИТ», 2004. – 620 с.

103

Лекция 11. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ. ОСНОВЫ

Выпрямительные диоды.

Принцип действия выпрямительных диодов основан на свойстве односторонней проводимости p-n перехода.

Рассмотрим простейшую схему однополупериодного выпрямителя, изображенную на рис. 11.1.

Рисунок 11.1 – Однополупериодный выпрямитель

При подаче на вход выпрямителя переменного синусоидального напряжения ток через диод протекает лишь в ту часть периода, когда напряжение на диоде соответствует прямому смещению. Поскольку сопротивление нагрузки Rí включено последовательно с диодом, то ток в

нагрузке Iн будет аналогичен току диода Iд , т.е. также будет иметь пульсирующий характер. Напряжение на нагрузке определяется согласно

разрядиться и в результате обеспечивается приемлемое сглаживание пульсаций напряжения и тока на нагрузке.

К основным параметрам выпрямительных диодов относятся:

-максимально допустимый прямой ток Iпр max ;

-прямое падение напряжения Uпр max , соответствующее Iпр max ;

-максимально допустимое обратное напряжение Uобр max , равное напряжению пробоя Uпроб ;

-номинальный обратный ток Iобр ном .

Данные параметры ограничивают рабочие участки ВАХ, в пределах которых обеспечивается нормальная эксплуатация диодов. Выход за пределы

104

рабочих участков ВАХ может привести к выходу диода из строя вследствие электрического и следующего за ним теплового пробоя.

Особую группу составляют дифференциальные параметры: - ёмкость диода C ;

- дифференциальное сопротивление rдиф UI ;

- крутизна S 1 .

rдиф

Для выпрямительных диодов важными также являются их частотные свойства, которые можно оценить с помощью эквивалентной схемы. Для режима работы с малыми переменными сигналами эквивалентная схема диода показана на рис. 11.2. Она содержит дифференциальное сопротивление rдиф ,

ёмкость перехода C и сопротивление потерь нейтральных областей кристалла rп . В общем случае величины C и rдиф зависят от приложенного напряжения.

Рисунок 11.2 – Эквивалентная схема диода

Пусть к переходу диода приложено переменное напряжение высокой частоты. Согласно эквивалентной схеме ток диода будет иметь две компоненты: активную Ir и емкостную IC . Активная составляющая тока – это

рабочий ток, связанный с выпрямительными свойствами диода, а емкостная составляющая тока – паразитная составляющая. С ростом частоты приложенного напряжения IC будет увеличиваться, так как реактивное

может оказаться, что IC Ir и диод теряет выпрямительные свойства. Частоту

max , на которой IC Ir , называют максимальной рабочей частотой диода.

Одной из разновидностей выпрямительных диодов являются импульсные диоды. Импульсные диоды предназначены для работы с импульсными сигналами и применяются в качестве быстродействующих ключей (вентилей). Рассмотрим причины, по которым выпрямительный или импульсный диоды не

105

являются идеальными вентилями, т.к. им свойственна, при некоторых условиях, проводимость в обратном направлении.

Пусть на вход схемы, изображённой на рис. 11.3, подаётся напряжение прямоугольной формы. На рис. 11.4 приведены осциллограммы токов и напряжений в ключевых точках данной схемы.

Рисунок 11.3 – Схема включения диода для изучения его инерционных свойств

Рисунок 11.4 – Осциллограммы токов и напряжений

Предполагается, что в исходном состоянии диод заперт, т.е. на него подано обратное запирающее напряжение. Напряжение на входе схемы в момент t0 скачком принимает положительное значение Umax , достаточное для

перевода диода в открытое состояние (состояние с малым омическим сопротивлением). Вследствие инерционности диффузионного процесса ток в диоде i появляется не мгновенно, а увеличивается до максимального значения

106

Iн за время нарастания tн . За время tн в диоде вследствие процесса инжекции

происходит накопление избыточных неравновесных неосновных носителей, т.е. увеличение их концентрации до некоторого максимального для данных условий значения. Таким образом, в момент времени t1 в цепи устанавливается

омическое сопротивление открытого диода при его прямом смещении. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое в момент времени t1 становится равным U пр .

В момент времени t2 полярность входного напряжения изменяется на противоположную. При этом напряжение Umax оказывается достаточным для

запирания диода (перевода его в состояние с высоким сопротивлением). Однако избыточные неравновесные заряды, накопленные на границе p-n перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии. Изменяется лишь направление тока – происходит рассасывание зарядов на границе перехода в течение времени рассасывания t р . В момент t3 заканчивается процесс

рассасывания зарядов и начинается процесс выключения диода, т.е. процесс восстановления его запирающих свойств.

К моменту времени t3 напряжение на диоде становится равным нулю и в дальнейшем приобретает обратное (отрицательное) значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода (время восстановления tв ) продолжается до момента времени t4 , после чего диод оказывается запертым.

Время рассасывания неосновных носителей заряда в p-n переходе можно определить по формуле

где p – время жизни неосновных носителей заряда.

Время восстановления обратного напряжения на диоде можно определить по выражению

увеличивается при его включении и, особенно, при выключении. Это означает, что потери мощности в диоде возрастают с повышением частоты

107

выпрямленного напряжения. При работе диода на низкой частоте и при синусоидальной форме напряжения потери мощности в диоде резко снижаются.

Современные импульсные диоды должны иметь высокое быстродействие при переключении из открытого состояния в закрытое и наоборот. Их общее быстродействие обычно оценивают величиной tв . Для быстродействующих

диодов значение tв находится в пределах от десятых долей до единиц мкс.

Высокое быстродействие достигается прежде всего за счёт уменьшения ёмкости p-n перехода, для чего делают малой площадь перехода. Поэтому широко распространены импульсные диоды с точечной конструкцией p-n перехода. Кроме уменьшения размеров переходов, быстродействие импульсных диодов увеличивают путём легирования их структуры золотом. Атомы золота создают в кристалле центры рекомбинации, что уменьшает время жизни неосновных носителей заряда p и снижает время восстановления tв .

В импульсных диодах часто применяют переходы Шоттки, когда вместо p-n перехода используется переход металл-полупроводник. В месте контакта возникает обеднённый носителями заряда запорный слой, имеющий свойства, близкие к свойствам p-n перехода. Диоды с переходом Шоттки имеют следующие отличия от диодов с p-n переходом:

-более низкое (на 0,2...0,3 В) прямое падение напряжения;

-более низкое обратное напряжение;

-больший обратный ток (ток утечки).

Кроме этого, особенностью диодов Шоттки является отсутствие накопления неравновесных неосновных носителей при прямом смещении перехода. Инерционность диодов Шоттки объясняется лишь наличием барьерной ёмкости, не превышающей единиц пФ. Диоды Шоттки могут иметь время восстановления порядка 1 нс.

Высокочастотные диоды.

Высокочастотные диоды – это диоды, предназначенные для работы на частотах в десятки, сотни и тысячи МГц. Разновидностями высокочастотных диодов являются:

1.Детекторные диоды, предназначенные для выделения низкочастотного сигнала из высокочастотного модулированного колебания;

2.Смесительные диоды, используемые для изменения несущей частоты модулированного колебания;

108

3.Модуляторные диоды, предназначенные для модуляции высокочастотного колебания.

Как было показано ранее, высокочастотные диоды должны иметь малую ёмкость перехода C (рис. 11.2). Также они должны иметь малое сопротивление потерь нейтральных областей кристалла rп , т.к. при уменьшении комплексного сопротивления перехода с ростом частоты значительная часть внешнего напряжения падает на сопротивлении rп , что дополнительно ухудшает

выпрямительные свойства диода.

Для уменьшения ёмкости используют p-n переходы малой площади, поэтому широко распространены точечные высокочастотные диоды. ВАХ точечного диода подобна характеристике выпрямительного диода, но на её обратной ветви практически нет горизонтального участка. С ростом обратного напряжения обратный ток постепенно увеличивается и плавно переходит на участок пробоя.

На частотах в тысячи МГц заметное влияние на частотные свойства диода оказывают индуктивности его выводов, которые тем больше, чем тоньше и длинее выводы. Поэтому диоды, предназначенные для работы в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) помещают в специальные корпуса, конструкция которых не только сводит к минимуму индуктивности выводов, но и удобна для включения диодов в волноводные линии передачи, используемые в диапазоне СВЧ.

Более полную информацию о принципе работы, основных параметрах, вольт-амперных характеристиках, эквивалентных схемах выпрямительных, импульсных, высокочастотных диодов, а также об особенностях и свойствах перехода Шоттки можно получить в следующих источниках.

Список литературы

1.Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник.

– 4-е изд., перераб и доп. – К.: Вища школа, 1989. – 423 с.

2.Справочник по радиоэлектронике. Т.1 / под ред. А.А. Куликовского. –

Энергия, 1967. – 648 с., ил.

3.Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. под ред.

А.Ф. Трутко: М., «Энергия», 1973. – 656 с., ил.

4.Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – М.: Корона Принт, 2006. – 415 с.

109

5.Полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы и технология их производства: Учебник / Ю.Е. Гордиенко, А.Н. Гуржий, А.В. Бородин, С.С. Бурдукова. – Харьков: «Компания СМИТ», 2004. – 620 с.

110