Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

41

2. При смещении p–n перехода в обратном направлении его сопротивление возрастает, и через переход протекает малый тепловой ток.

Таким образом p–n переход обладает односторонней проводимостью, что используется при создании полупроводниковых приборов.

Считается, что Iобр возрастает при уменьшении ширины запрещенной зоны полупроводника, из которой выполнен p–n переход. Iобр у германиевых p–n переходах обычно на два–четыре порядка выше, чем у кремниевых.

2.8. Вольт–амперная характеристика p–n перехода

Вольт–амперная характеристика (ВАХ) p–n перехода представляет собой зависимость тока через p–n переход от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитически ВАХ представляется экспоненциальной зависимостью

где I0 – обратный ток насыщения p–n перехода, который определяется фи-

зическими свойствами полупроводника и имеет небольшую величину (мкА или нА);

U – напряжение, приложенное к p–n переходу; kTq = ϕT – температурный потенциал;

q – заряд электрона.

Вольт-амперная характеристика показана на рис. 2.7, и отражает физические процессы в p–n переходе, рассмотренные выше. При прямом смещении Uпр > 0 p–n переход имеет малое сопротивление и через него протекает пря-

мой ток.

При Uпр ≥ Uk (точка 1 на рис. 2.7.) потенциальный барьер исчезает, и характеристика представляет собой почти прямую линию, наклон которой определяется сопротивлением базы.

При обратном смещении сопротивления p– n перехода велико, и через него протекает небольшой обратный ток, приближающийся по величине к значению I0 .

Таким образом p–n переход характеризуется свойством односторонней проводимости: хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо в обратном, т.е. p–n переход обладает выпрямительными свойствами. Это позволяет использовать p–n переход

как выпрямитель переменного тока.

42

Параметрами ВАХ являются:

1. Rдиф – дифференциальное сопротивление (сопротивление, которое

оказывает p–n переход протекаемому переменному току) при прямом смещении. Выражение для Rдиф получаем из (2.20)

2. R0 = Rст – сопротивление постоянному току (сопротивление p–n перехода в данной рабочей точке) и определяется

На линейном участке ВАХ при прямых токах единицы–десятки мА Rдиф составляет единицы–десятки Ом, и R0 всегда больше Rдиф.

2.9. Пробой p–n перехода

Резкое возрастание обратного тока p–n перехода при достижении обратным напряжением определенного критического значения называют пробоем р– n перехода.

Различают два вида пробоя перехода:

–электрический;

–тепловой.

Вид ВАХ пробоя представлен на рис. 2.8. При электрическом пробое количество носителей в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной

ионизации атомов решетки.

Различают следующие разновидности электрического пробоя: лавинный, туннельный и поверхностный.

Лавинный вид пробоя возникает у слаболегированных полупроводниках, в относительно широких р–n переходах (кривая 1 на рис. 2.8). Суть лавинного пробоя

заключается в лавинном размножении носителей заряда в сильном электрическом поле под действием ударной ионизации. Неосновные носители заряда, движущиеся через р–n переход, ускоряются полем так, что могут при столкновении с решеткой кристалла разорвать валентную связь. Появляется новая пара электрон–дырка, которая ускоряется полем и в свою очередь вызывает ионизацию следующего атома. При лавинной ионизации ток в цепи ограничен только внешним сопротивлением. Количественной оценкой лавинного процесса явля-

43

ется коэффициент лавинного умножения носителей M, показывающий во сколько раз ток, протекающий через р–n переход, превышает обратный ток I = MIобр, который определяется из эмпирического выражения

где b – коэффициент зависящий от материала полупроводника.

С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей и энергия, которую может достичь носитель; а следовательно увеличивается напряжение лавинного пробоя. При лавинном пробое падение напряжения на р–n переходе остается постоянным.

Туннельный вид пробоя возникает в сильнолегированных полупроводниках, в относительно узких р–n переходах (кривая 2 на рис. 2.8).

При относительно небольших обратных напряжениях Uобр напряженность электрического поля в переходе достигает большой величины (более

105 В/см). Это приводит к искривлению энергетических зон полупроводника так, что энергия электронов валентной зоны полупроводника р–типа становится такой же, как и энергия свободных электронов зоны проводимости n–типа. Это вызывает переход электронов "по горизонтали" из области р в область n, минуя запрещенную зону. Во внешней цепи протекает туннельный ток. С повышением температуры увеличивается энергия носителей заряда, растет и вероятность туннельного перехода, а напряжение пробоя падает.

Поверхностный вид пробоя обусловлен изменением электрического поля на поверхности р–n перехода за счет скопления значительного количества зарядов на поверхности полупроводника. По своей природе поверхностный пробой может быть лавинным, туннельным или тепловым. Для защиты от поверхностного пробоя применяют диэлектрические покрытия.

Тепловой пробой возникает вследствие разогрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе (кривая 3 на рис. 2.8). Нагрев может происходить за счет протекания большого обратного тока через р– n переход, или за счет внешнего источника тепла. При нагреве перехода происходит генерация электронно–дырочных пар и увеличение обратного тока через переход. Характерной особенностью теплового пробоя является наличие участка на ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если при электрическом виде пробоя нарушается тепловое равновесие перехода, то электрический пробой переходит в тепловой.

Если р–n переход сохраняет свои свойства после пробоя при уменьшении обратного напряжения, то такой пробой называют обратимым. К обратимому пробою относятся лавинный и туннельный.

Если пробой приводит к выходу р–n перехода из строя, то его называют необратимым. Необратимый пробой бывает двух видов: тепловой и поверхностный.

44

2.10. Емкостные свойства p–n перехода

Наличие в р–n переходе ионов примесей и подвижных носителей заряда, находящихся вблизи границы перехода, обуславливает его емкостные свойства

(рис. 2.9).

Имеются две составляющие емкости р–n перехода: барьерная (зарядная) Cбар и диффузионная Cдиф. Барьерная емкость обусловлена наличием в р–

n переходе ионов донорной и акцепторной примесей, р– и n– области образуют как бы две заряженные обкладки конденсатора, а сам обедненный слой служит диэлектриком. В общем случае зависимость зарядной емкости от приложенного к р–n переходу обратного напряжения выражается формулой

300…600 пФ;

γ – коэффициент, зависящий от типа р–n перехода (для резких р–n пере-

ходов γ = 1/2, а для плавных γ = 1/3).

Из выражения (2.24) видно, что с увеличением обратного напряжения барьерная емкость уменьшается. То есть, при увеличении обратного напряжения толщина обедненного слоя р–n перехода возрастает, обкладки конденсатора как бы раздвигаются, и емкость его падает. Это свойство барьерной емкости позволяет использовать переход как емкость, управляемую величиной обратного напряжения.

Зависимость емкости от приложенного напряжения называется вольтфарадной характеристикой. Характер зависимости Cбар = f (Uобр) показан на

рис. 2.10, где кривая 1 соответствует плавному р–n переходу, кривая 2 – резкому р–n переходу.

Диффузионная емкость обусловлена изменением числа неравновесных носителей заряда в базе при возрастании прямого напряжения на переходе (кривая 3 на рис. 2.10)

где Iпр – прямой ток, протекающий через переход; τ – время жизни инжектированных носителей.

45

При переходе в область прямых напряжений возрастает не только барьерная емкость, но и емкость, обусловленная накоплением неравновесного заряда в р– и n– областях перехода.

Накопленные носители в р– и n–областях быстро рекомбинируют, следовательно диффузионная емкость уменьшается во времени. Скорость спада зависит от времени жизни τ неравновесных носителей заряда. Диффузионная емкость всегда зашунтирована малым прямым сопротивлением р–n перехода и во многом определяет быстродействие

полупроводниковых элементов.

2.11. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор, содержащий один или несколько переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явления в переходе. В диодах применяются электронно– дырочный переход, контакт металл–полупроводник, гетеропереход.

Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником: имеет два вывода и нелинейную ВАХ.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р–n переходов. Низкоомная область диодов называется эмиттером, а высокоомная – базой.

Полупроводниковые диоды классифицируются: по роду исходного материала, конструкторско–технологическим особенностям, назначению и др.

По типу исходного материала диоды бывают: германиевые, кремниевые, селеновые, карбид–кремниевые, арсенид–галлиевые и др.

По конструкторско–технологическим особенностям диоды бывают: точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, эпитаксиальные, с барьером Шоттки, поликристаллические и др.

По назначению диоды делятся на:

1.Выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источниковпитанияпромышленной частоты впостоянное.

2.Стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющие на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока.

3.Варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением.

4.Импульсные диоды, предназначенные для работы в быстродействую-

46

щих импульсных схемах.

5.Туннельные и обращенные диоды, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний.

6.Сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний.

7.Светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию.

8.Фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.

СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Она состоит из буквенных и цифровых элементов. Первым элементом обозначения является буква или цифра, определяющая исходный материал диода:

Г или 1 – германий или его соединения; К или 2 – кремний или его соединения;

А или 3 – арсенид галлия и соединения галлия.

Второй элемент – буква, указывающая назначение диода: Д – выпрямительные, импульсные; С – стабилитроны;

В– варикапы;

И– туннельные;

И– обращенные;

А – сверхвысокочастотные; Л – светодиоды; Ф – фотодиоды.

Третий элемент – цифра, указывающая на энергетические особенности диода.

Четвертый элемент – две цифры, указывающие номер разработки. Пятый элемент – буква, характеризующая специальные параметры диода.

Например: КД204А, КС156Б, КВ109В, АЛ603Д.

2.12. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды преобразуют переменный ток в постоянный. В связи с этим к емкости, быстродействию и стабильности параметров этих диодов не предъявляется жестких требований. Основой выпрямительного диода является несимметричный р–n переход с большой площадью поперечного сечения, которая необходима для получения большого прямого тока. Низкоомная область (обычно это р–область), имеющая большую концентрацию примеси, называется эмиттером, а высокоомная область (обычно n–область) с малой концентрацией примесей – базой. Сопротивление базовой области у реальных диодов составляет единицы – десятки Ом. Работа выпрямительных диодов ос-

47

нована на вентильных свойствах перехода.

Наибольшее применение нашли кремниевые, германиевые, диоды с барьером Шоттки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры, – селеновые и титановые выпрямители.

На рис. 2.11 представлены ВАХ германиевого и кремниевого диодов, их условное обозначение.

В высоковольтных источниках питания применяют выпрямительные столбы и блоки. Выпрямительные столбы представляют собой последовательное соединение выпрямительных диодов, находящихся в одном корпусе, чем достигается повышение допустимого обратного напряжения. Для повышения Iпр

несколько диодов включают параллельно.

(Iпр ср ≤ 0,3 А), средней (0,3 <Iпр ср ≤ 10 А) ибольшой(Iпр ср > 10 А) мощности. Сравнениехарактеристик германиевых икремниевых диодовпоказывает:

1.Значение обратного тока германиевых диодов на два–три порядка больше, чем у кремниевых, при одинаковой площади перехода. Это объясняется различной шириной запрещенной зоны.

2.Допустимое обратное напряжение, за счет этого, у кремниевых диодов больше, чем у германиевых.

3.Падение напряжения на кремниевых диодах больше, чем на германиевых при одинаковых токах нагрузки, что обусловлено большим сопротивлением базовой области кремниевых диодов.

На характеристики диодов влияние оказывает температура окружающей среды. При увеличении температуры на 10° C Iобр германиевых диодов удваи-

вается, а у кремниевых возрастает в два с половиной раза. Абсолютная величина приращения Iобр у германиевых диодов с ростом температуры в несколько

раз больше, чем у кремниевых, что приводит к увеличению мощности, потребляемой диодом, и уменьшению напряжения теплового пробоя. У кремниевых диодов Iобр мало и мала вероятность теплового пробоя, в связи с чем вначале

развивается электрический пробой, который при больших обратных напряжениях может перерости в тепловой.

48

ПАРАМЕТРЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

1. Средний выпрямленный ток Iпр ср– среднее за период значение вы-

прямленного тока, который может длительно протекать через диод при допустимом его нагреве (сотни мА – десятки А).

2. Среднее прямое напряжение диода Uпр ср – среднее значение прямого

падения напряжения, определяемое при среднем выпрямленном токе, для германиевых Uпр ср< 1 В, для кремниевых Uпр ср< 1,5 В.

3. Максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр макс – максимально допустимое обратное напряжение, которое длительно выдерживает диод без нарушения нормальной работы, Uобр макс на 20 % меньше напряжения пробоя Uпроб.

Uпроб = 100…400 В для Ge диодов;

Uпроб=1000…1500 В для Si диодов.

4.Максимальный обратный ток Iобр макс– максимальное значение обрат-

ного тока диода при Uобр макс.

5.Средняя рассеиваемая мощность диода Pср– средняя за период мощность, рассеиваемая диодомприпротекании Iпр ср и Iобр (сотнимВт– десятки Вт).

6.Диапазон рабочих температур –

для германиевых диодов –60…+85 °С; для кремниевых диодов –60…+125 °С.

7.Барьерная емкость диода при подаче на него номинального обратного напряжения составляет десятки пФ.

8.Диапазон рабочих частот.

9.Дифференциальное сопротивление диода Rдиф – сопротивление диода

протекающему переменному току, которое вычисляется как отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы – сотни Ом).

2.13. Стабилитроны

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения в электрических цепях. Принцип работы стабилитрона основан на явлении электрического пробоя р–n перехода при подаче на диод обратного напряжения. В связи с этим на вольт–амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. На рис. 2.12 приведена ВАХ стабилитрона, условное обозначение и схема включения. Стабилитрон всегда включается параллельно нагрузке.

49

В качестве исходного материала для изготовления стабилитронов используется кремний, имеющий большую ширину запрещенной зоны и соответственно малый обратный ток, в связи с чем вероятность возникновения теплового пробоя очень мала.

По величине допустимой мощности рассеивания Pмакс стабилитроны

подразделяются на стабилитроны малой

Промышленностью выпускаются следующие разновидности стабилитронов: общего назначения, прецизионные, импульсные, двухдиодные, стабисторы.

Стабилитроны общего назначения используются в схемах стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения. Пре-

цизионные стабилитроны используются в качестве источников опорного напряжения с высокой степенью стабилизации и термокомпенсации.

Импульсные стабилитроны используются для стабилизации постоянного и импульсного напряжения, а также ограничения амплитуды импульсов напряжения малой длительности.

Двухдиодные стабилитроны работают в схемах стабилизации, ограничителях напряжения различной полярности, в качестве источников опорного напряжения.

Стабисторы используются для стабилизации малых значений напряжения, причем рабочим является прямое смещение диода.

Величина пробоя р–n перехода зависит от удельного сопротивления базы диода. Низковольтные стабилитроны изготавливаются из сильнолегированного (низкоомного) материала, и у них более вероятен туннельный пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливаются из слаболегированного (высокоомного) материала, и у них вероятен лавинный вид пробоя.

ПАРАМЕТРЫ СТАБИЛИТРОНА

1. Номинальное напряжение стабилизации Uст ном – падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока

50

Iст ном (единицы – десятки В).

2.Минимальный ток стабилизации Iст мин – минимальное значение тока,

протекающего через стабилитрон при устойчивом пробое перехода (доли мА – десятки мА).

3. Максимальный ток стабилизации Iст макс – максимально допустимый

ток стабилизации, ограничиваемый допустимой мощностью рассеивания (единицы мА – единицы А).

4. Номинальный ток стабилизации Iст ном = Iст макс − Iст мин .

2

5. Дифференциальное сопротивление Rдиф = dUст – отношение прира- dIст

щения напряжения cтабилизации к вызвавшему его приращению тока (единицы – десятки Ом). Чем меньше Rдиф – тем лучше стабилизация напряжения.

6. Статическое сопротивление стабилитрона в данной рабочей точке, ха-

рактеризует омические потери в заданной рабочей точке Rст = Uст .

Iст

7. Коэффициент качества стабилитрона Q = Rдиф – определяет не только

Rст

наклон ВАХ, но и отношение изменения напряжения стабилизации к напряжению стабилизации (Q = 0,01…0,05 и ниже).

8. Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) αст –

отношение относительного изменения напряжения стабилизации ∆Uст при

Uст

изменении температуры окружающей среды ∆T и постоянном токе стабилизации к изменению температуры, вызвавшему это изменение

αст = ∆Uст ∆1 100% .

Uст T

Зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации от напряжения стабилизации показано на рис. 2.13.

У низковольтных стабилитронов с ростом температуры вероятность туннельного переноса возрастает, а напряжение пробоя падает. Поэтому низковольтные стабилитроны имеют отрицательный ТКН. У слаболегированных р– n переходов с ростом температуры скорость носителей заряда уменьшается, поскольку уменьшается их подвижность. Поэтому, чтобы носителю сообщить необходимую скорость для ударной ионизации, необходимо увеличить напряженность электрического поля в обедненном слое.

Таким образом, у высоковольтных стабилитронов Uпроб увеличивается с

возрастанием температуры, и они имеют положительный ТКН.

Для уменьшения ТКН последовательно со стабилитроном включают по-