2. Полупроводниковые диоды

2.1. Общие сведения о полупроводниках. В зависимости от удельной электропроводимости σ вещества подразделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых тел, определяется направленным движением электронов под действием внешнего электрического поля. Различия электропроводности проводников, полупроводников и диэлектриков обусловлены различиями их энергетических диаграмм, показанных на рис. 2.1, где изображены их зоны проводимости (1), валентные зоны (2) и запрещенные зоны (3).

Рис. 2.1. Энергетические диаграммы проводника (а), полупроводника (б) и диэлектрика (в)

У проводников (рис.2.1,а) запрещенная зона ΔW отсутствует, а зона проводимости (1) и валентная зона (2) частично перекрываются. Поэтому электроны из валентной зоны (2) могут легко переходить в зону проводимости (1). Это определяет хорошую электропроводимость металлов.

В полупроводниках (рис. 2.1, б) валентная зона (2) и зона проводимости (1) разделены запрещенной зоной. Под действием внешних сил (электрического поля, теплового и светового излучения) электроны из валентной зоны (2) могут переходить в зону проводимости (1). При этом в валентной зоне возникают свободные энергетические уровни, которые называют дырками, а в зоне проводимости появляются свободные электроны - электроны проводимости. Этот процесс называют генерацией пар носителей: дырок - р и электронов - n.

Возвращение возбужденных электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате которого пара носителей заряда "электрон-дырка" исчезает, называют рекомбинацией. Генерация и рекомбинация пар носителей заряда происходят одновременно, поэтому в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие.

Диэлектрики (рис. 2.1, в) имеют большую ширину запрещенной зоны, поэтому имеют очень малую проводимость.

Приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников называются полупроводниковыми приборами. В этих приборах могут протекать дрейфовый и диффузионный токи.

Дрейфовым называется ток, обусловленный внешним электрическим

полем. Этот ток создается за счет направленного движения дырок вдоль поля и электронов - в противоположном направлении.

Диффузионный ток обусловлен перемещением дырок и электронов из области высокой концентрации в область с более низкой концентрацией носителей заряда.

Электропроводность полупроводника зависит от подвижности носителей заряда и их концентрации. Проводимость существенно изменяется при введении примесей в полупроводник. Введение в четырехвалентный полупроводник пятивалентной примеси позволяет получить полупроводник n-типа, а введение трехвалентной примеси - полупроводник р-типа.

2.2. Выпрямительные диоды. Если на полупроводниковой пластине создать две области проводимостей (одна p-типа, другая n-типа), то между этими областями образуется электронно-дырочный р-n переход (контакт). Предположим, что р-n переход образован электрическим контактом областей n- и р- типа с одинаковой концентрацией n и р зарядов (рис.2.2,а). Вследствие высокой концентрации электронов в n-области и дырок в p-области начинается диффузионное движение электронов из n-области в p-область и дырок из p-область n-область.

В процессе диффузии в приграничном слое происходит рекомбинация основных носителей заряда. В результате диффузии и рекомбинации у р-n перехода образуется обедненный свободными носителями двойной слой пространственного заряда. Приграничная p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, обусловленный отрицательными ионами акцепторной примеси и на рис.2.2,а обозначен знаками (-). Приграничная n-область приобретает нескомпенсированный положительный заряд (+), обусловленный положительными ионами донорной примеси.

Образованный в граничном слое объемный заряд создает внутреннее электрическое поле E_В, направленное как показано на рис.2.2, а.

Рис. 2.2 Полупроводник p-n-типа (а), его вольт-амперная характеристика(б) и обозначение диода (в).

Внутреннее поле E_В является тормозящим для основных носителей заряда и называется потенциальным барьером p-n перехода. Если к полупроводнику не прикладывается внешнее поле, то потенциальный барьер препятствует движению зарядов и ток через полупроводник не протекает.

Если к полупроводнику приложить прямое напряжение u_пр (плюсом к р-области, а минусом к n-области), то поле u_пр будет направлено встречно полю

Рис. 2.3. Вольтамперные характеристики (а) и графическое обозначение (б) выпрямительных диодов

По мощности, рассеиваемой p-n переходом, диоды бывают малой (3 А), средней (0,3<10 А) и большой (>10 А) мощности.

На характеристики диодов оказывает влияние температура окружающей среды. Абсолютная величина приращения I_обр у германиевых диодов с ростом температуры в несколько раз больше, чем у кремниевых.

Параметры выпрямительных диодов.

1. Средний выпрямленный ток I_{пр ср} - среднее за период значение выпрямленного тока, который может длительно протекать через диод при допустимом его нагреве (сотни мА - десятки А).

2. Среднее прямое напряжение U_{пр ср} - среднее значение прямого падения напряжения, определяемое при среднем выпрямленном токе, для германиевых диодов U_{пр ср}<1 В, для кремниевых U_{пр ср}<1,5 В.

3. Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр макс} - максимально допустимое обратное напряжение, которое длительно выдерживает диод без нарушения нормальной работы; U_обр макс на 20% меньше напряжения пробоя U_проб. Для германиевых диодов U_проб = 100...400 В, для кремниевых - 1000...1500 В.

4. Максимальный обратный ток I_{обр макс} - максимальное значение обратного тока диода при U_{обр макс}.

5. Средняя рассеиваемая мощность P_ср - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании I_{пр ср} и I_обр (сотни мВт - 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 R_диф - сопротивление диода протекающему переменному току, которое вычисляется как отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы - сотни Ом).

2.3. Стабилитроны. Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения в электрических цепях. Принцип работы стабилитрона основан на явлении электрического пробоя p-n перехода при подаче на диод обратного напряжения. Стабилизирующие свойства этого прибора объясняются тем, что на вольтамперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. На рис.2.4 приведены ВАХ стабилитрона и схема включения. Стабилитрон всегда включается параллельно нагрузке.

По величине допустимой мощности рассеивания P_макс стабилитроны подразделяются на стабилитроны малой (P_макс<0,3 Вт), средней (0,3 Вт<P_макс<5 Вт) и большой (P_макс>5 Вт) мощности.

Стабилитроны общего назначения используются в схемах стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения. Прецизионные стабилитроны используются в качестве источников опорного напряжения с высокой степенью стабилизации и термокомпенсации.

Импульсные стабилитроны используются для стабилизации постоянного и импульсного напряжений, а также ограничения амплитуды импульсов напряжения

Рис. 2.4. Вольтамперная характеристика (а) малой длительности.

и схема включения (б) стабилитрона

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 p-n перехода зависит от удельного сопротивления базы диода. Низковольтные стабилитроны изготавливаются из сильнолегированного (низкоомного) материала и для них более вероятен туннельный пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливаются из слаболегированного (высокоомного) материала и для них вероятен лавинный вид пробоя.

Основные параметры стабилитронов.

Номинальное напряжение стабилизации U_{ст ном} - падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока I_{ст ном} (единицы - десятки В).

Минимальный ток стабилизации I_{ст мин} - минимальное значение тока, протекающего через стабилитрон при устойчивом пробое перехода (доли мА - десятки мА).

Максимальный ток стабилизации I_{ст макс} - максимально допустимый ток величина которой зависит от значения приложенного к диоду обратного напряжения. Эта зависимость описывается вольтфарадной характеристикой, аналитическое выражение которой имеет вид

(2.3)

Рис. 2.5. Вольтфарадная характеристика Рис. 2.6. Эквивалентная схема варикапа

варикапа

На рис.2.5 представлена вольтфарадная характеристика, а на рис.2.6 показана эквивалентная схема варикапа, где r_б - объемное сопротивление базы; R_обр - учитывает дифференциальное сопротивление и сопротивление утечки перехода; C_бар - эквивалент барьерной емкости диода. Добротность варикапа определяется выражением

, (2.4)

где - реактивная составляющая сопротивления варикапа;- сопротивление потерь.

На высоких частотах , где- частота, поэтому шунтирующим действием обратного сопротивленияp-n перехода можно пренебречь. Эквивалентная схема варикапа представляет собой последовательное соединение барьерной емкости и r_б, тогда

. (2.5)

Для уменьшения г_б необходимо уменьшать толщину области базы.

На низких частотах , эквивалентная схема варикапа представляет собой параллельное соединениеR_обр и C_бар, тогда

. (2.6)

С ростом частоты добротность падает.

Основные параметры варикапов.

Максимальная емкость C_{в макс} - емкость варикапа при заданном минимальном U_обр и ограничена значением емкости С₀.

Минимальная емкость C_{в мин} - емкость варикапа при заданном максимальном U_обр; ограничивается обратным допустимым напряжением p-n перехода U_{обр доп}.

2.7. Туннельные диоды. Туннельные диоды - это диоды, которые имеют значительно большую концентрацию носителей зарядов, чем обычные диоды и имеют очень малую толщину p-n перехода.

В тонких p-n переходах вследствие большой напряженности электрического поля увеличивается вероятность туннельного прохождения электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. Туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, т.е. характеристика имеет N-образный вид (рис. 2.10). Поясним форму характеристики.

Рис. 2.10. Вольтамперная характеристика туннельного диода

(п - пик, в – впадина, р - раствор)

При небольшом прямом напряжении происходит смещение энергетических зон, так что часть энергетических уровней, занятых электронами проводимости n-области, начинает располагаться напротив свободных уровней p-области. Это приводит к туннельному переносу электронов из n- в p-область и протеканию прямого туннельного тока.

С увеличением прямого напряжения туннельный ток достигает максимального значения, когда все заполненные энергетические уровни зоны проводимости n-области располагаются напротив свободных уровней p-области (U=U_П).

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к тому, что часть заполненных энергетических уровней n-области начинает располагаться против запрещенной зоны p-области и туннельный ток убывает.

Когда зона проводимости n-области и валентная зона p-области перестанут перекрываться, туннельный ток исчезает (U=U_В).

Наряду с туннельным переходом электронов в p-n переходе туннельного диода течет и обычный диффузионный ток, связанный с преодолением потенциального барьера основными носителями (показан штрихпунктирной линией). Таким образом, ток туннельного диода имеет две составляющие: туннельную и диффузионную. При напряжениях на диоде, когда туннельная составляющая тока не протекает, туннельный диод представляет собой обычный диод, прямой ток которого определяется током диффузии.

При обратном напряжении энергетические уровни p-области смещаются вверх и верхние уровни валентной зоны оказываются расположенными напротив разрешенных незаполненных уровней зоны проводимости n-области. При этом электроны из валентной зоны p-области туннелируют в