20-03-2013_10-45-00 / 6Выпрямительные и импульсные диоды

Выпрямительные и импульсные диоды

Для производства полупроводниковых диодов в качестве основного материала используют 4-валентные германий (Ge-∆W-0,7эВ), кремний (Si-∆W =1,12 эВ), и п/п соединение структуры А^IIIB^V – арсенид галлия (GaAs - ∆W=1,43 эВ). Чистые п/п в РЭА используют редко, чаще используют выпрямляющие электрические переходы: между областями с различным типом электропроводности (p-n переход); между разными по составу п/п с различной шириной запрещенной зоны (∆W) (гетеропереход); между металлом и полупроводником (переход Шоттки) (окно 6). Невыпрямляющий контакт м/у металлом и п/п называют омическим, он используется для создания выводов для подключения диода к эл.цепи. Его св-ва не должны влиять на протекающий через диод ток в любом направлении.

Для создания p-n-перехода основной материал легируют донорными (V, VI-валентными) примесями (окно 5) для получения n-области с электронной электропроводностью и акцепторными примесями (II, III-валентными) (окно 4) для получения р-области с дырочной электропроводностью. В процессе формирования p–n–перехода в приконтактном слое происходит диффузия основных подвижных носителей заряда в соседнюю область: дырок в p–область и электронов – в n–область, где они рекомбинируют (окно 12) с основными носителями данной области. В результате, приконтактный слой в p– и n–областях обедняется основными подвижными носителями заряда и в нём образуется двойной слой нескомпенсированных ионов примесей, обладающий большим сопротивлением (рис.7). В p–области образуется слой отрицательных ионов акцепторной примеси, а в n–области – слой положительных ионов донорной примеси. Те и другие заряды жёстко связаны с узлами и не могут участвовать в создании тока проводимости. Двойной слой p–n–перехода создает контактную разность потенциалов φ_{k 0} и электрическое поле Е, направленное из n-области в р-область, максимум которого находится на границе раздела р- и n- областей (ф.29). Все эти факторы противодействуют процессам диффузии основных зарядов через переход и одновременно способствуют дрейфовому переносу неосновных носителей (окна 13 и 14). На рис. 8-10 приведены энергетические диаграммы выпрямительного диода в состоянии равновесия (рис.8), при прямом (рис.9) и обратном включениях (рис.10). На диаграммах обозначены точками СКL – валентная зона, АDGF – зона проводимости, ACGK – запрещенная зона. Ширина p-n-перехода (обедненного слоя) обозначена буквами DM, контактная разность потенциалов (высота потенциального барьера) – FG, уровень Ферми – BH.

В р-n-переходе при отсутствии внешних напряжений (в состоянии равновесия) токи дрейфа и диффузии равны по модулю и противоположны по направлению. На энергетической диаграмме р–n–перехода уровень Ферми (ВН) в р– и n–области имеет одинаковые значения. Образовавшаяся между полупроводниками р и n типа контактная разность потенциалов (FG) φ _к определяется формулой 22.

В р–n–переходе, включенном в прямом направлении (+ к р, - к n), напряженность внешнего электрического поля направлена противоположно напряженности внутреннего поля p-n-перехода. Уровень Ферми и потенциальный барьер (формула 23) изменяются на величину поданного прямого напряжения. Пространственный заряд на p - n - переходе уменьшится, а стало быть и уменьшится ширина р-n-перехода (ф.24 и 25).Возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер и под действием разности (градиента) концентраций происходит диффузия основных носителей - процесс инжекции. При некотором U начинает протекать прямой ток (ф.26, рис.15 ВАХ 1,2,3).

В р–n–переходе, включенном в обратном направлении (-к р,+ к n), напряженность внешнего электрического поля совпадает по направлению с напряженностью внутреннего поля p-n-перехода. Уровень Ферми и потенциальный барьер (формула 23) изменяются на величину поданного обратного напряжения. Cлой отрицательных ионов в р-области и положительно заряженных ионов в n-области расширится (ф. 24 и 25). Основных носителей, способных преодолеть потенциальных барьер нет. Тока основных носителей нет. Электрическое поле для неосновных носителей является ускоряющим, поэтому они, попадая в область действия ЭП, дрейфуют в ту область, где они станут основными, т.е. происходит процесс экстракции – дрейф неосновных носителей заряда под действием Е. Ток неосновных носителей (ток экстракции, дрейфа, насыщения- ф .28) очень мал (т.к. мало неосновных носителей) и измерить его возможно только для узкозонных полупроводников (Ge). Поэтому считается, что р-n-переход обладает вентильными свойствами, т.е. пропускает ток в прямом включении (малое R_пр) и не пропускает в обратном (большое R_обр). Обратный ток в p-n-переходе, работающем при напряжениях много меньших напряжения пробоя, практически не зависит от приложенного напряжения (на рис.15 кривые 4, 5, 6).

Зависимость прямого тока, протекающего через переход, от поданного U определяется формулами 26 и 27, которые являются уравнениями вольт-амперной характеристики (ВАХ). На рис. 15 представлены ВАХ диодов из Ge (кривые 1, 6), Si (2,5) и GaAS (3,4). Напряжение, при котором диод открывается (кривые 1, 2, 3), определяется шириной запрещенной зоны ∆W, которая зависит от температуры (ф.21). У диода с большей будет больше высота потенциального барьера, следовательно, I_пр будет меньше при том же U_пр. С увеличением концентрации примесей (Na, Nd) высота потенциального барьера ∆φ будет увеличиваться, а значит, I_пр при том же U_пр будет меньше (рис.16 кривая 2). С увеличением температуры прямое напряжение умень­шается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера p-n-перехода и с перераспределением носителей заряда по энергиям (рис. 16 кривая 1). Допустимая температура составляет для GaAs-диодов +250⁰C, для Si-диодов- +120  ⁰С, а для Ge - +60  ⁰С. Минимальная температура, при которой могут работать ППП, составляет – 60  ⁰С. Преимуществом германиевых диодов перед кремниевыми является небольшое падение напряжения на переходе при прямом включении, но из-за температурной нестабильности (пробой германиевых диодов имеет тепловой характер) в последние годы Ge для производства диодов применяется редко.

Если представить диод эквивалентной схемой, то одним из ее элементов будет конденсатор, обкладкам которого служат р и n-области, а p-n-переход – диэлектриком. В прямом включении говорят о наличии паразитного параметра диода – диффузионной емкости (рис.20, кривая 2, ф.34), а в обратном включении – о барьерной (зарядной) емкости (ф.33, рис.20, кривая 1). Процессы накопления и рассасывания зарядов в этих емкостях влияют на длительность переходных процессов (в импульсном режиме), на инерционные и частотные свойства. Другими элементами экв.схемы явл. – сопротивление материала и сопротивление р-n-перехода, которое определяет основные параметры диодов: на постоянном токе – статическое сопротивление (ф.30), на переменном токе - дифференциальное сопротивление (ф.31) или величина, ему обратная - крутизна ВАХ (ф.32, характеристический треугольник на рис. 15, ВАХ 1).

На рис.2- условное обозначение выпрямительных и импульсных диодов: р-область называется анодом, n-область-катодом.

По размеру электрического перехода диоды классифицируют на плоскостные и точечные. Линейные размеры точечного перехода соизмеримы с шириной его обедненной области. Основное его достоинство малая емкость p-n-перехода, т.к. площадь контакта менее 50 мкм², I_пр < десятков мА. Они являются маломощными, но высокочастотными. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше ширины p-n-перехода называют резким переходом, а больше – плавным.

Выпрямительный диод предназначен для преобразования двухполярного напряжения в однополярное, из которого затем с помощью фильтра (конденсатор на рис.17) и стабилизатора получают постоянное напряжение. Применяются во вторичных ИП и пр.

Импульсный полупроводниковый диод — предназначен для применения в импульсных режимах работы, имеет малую длительность переходных процессов. Для уменьшения длительности перех. пр. в кремний добавляют золото в качестве рекомбинационных ловушек. Лучшими импульсными характеристиками обладают GaAs диоды с переходом Шоттки. Накопление неравновесных носителей заряда в металле отсутствует, поэтому его импульсные характеристики определяются только барьерной емкостью и временем пролета электронов через высокоомный слой кремния (10^–11с). Импульсные диоды могут работать как от генератора тока (рис 18) так и от генератора напряжений (рис.19) при высоком уровне инжекции(больших прямых токах). Чем меньше время установления прямого напряжения-t_х на рис.18, или время восстановления обратного сопротивления t_х на рис.19, тем ИД более быстродействующий. Другими параметрами ИД являются: прямое напряжение (обозначено буквой А), обратное напряжение (буква В), С - прямой ток, D-ток насыщения.