А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника Курс лекций

места могут перескакивать электроны O — O из соседних ковалентных связей, на месте которых появляются новые дырки Q¨ — Q¨ . Это приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу. Атомы индия, которые приобрели электроны, превращаются в отрицательно заряженные ионы И1 — И3 (рисунок 1.4). При этом весь кристалл полупроводника остается электрически нейтральным.

Возможны также разрывы ковалентных связей между основными

атомами кремния, при этом образуются электроны Oª и дырки Ȫ собственной проводимости (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Кристаллическая решетка кремния (Si) с введенными атомами индия (Jn) — полупроводник р-типа

Таким образом, в полупроводниках р-типа присутствуют:

1)дырки Ȩ , которые получены добавлением примеси, их число достаточно велико и они в основном осуществляют проводимость, которая в данном случае называется примесной дырочной проводимостью;

2)электроны Oª, которые возникают при разрыве ковалентных связей, их число очень мало и они участвуют в собственной проводимости;

3)дырки Ȫ, которые возникают при разрыве ковалентных связей, их число очень мало и они участвуют в собственной проводимости.

Так как в полупроводниках р-типа число дырок значительно пре-

вышает число электронов (Nр >> Nn), то основными носителями в них являются дырки, неосновными — электроны.

11

Примеси, вызывающие избыток дырок, называются акцепторными (акцептировать – захватывать).

Следует особо подчеркнуть, что как таковой дырочной проводимости в действительности не существует. Она обусловлена «эстафетным» перемещением электронов по вакансиям от одного атома к другому.

При приложении внешнего напряжения UА к р-полупроводнику он ведет себя как обычный резистор с сопротивлением, несколько большим сопротивления проводников. Дырки рП и рС движутся к «–» полюсу, а электроны nС — к «+» полюсу источника напряжения.

1.3 Электронно-дырочный p–n переход. Выпрямительные свойства p–n перехода

По отдельности р- и n-полупроводники не представляют практического интереса и ведут себя как обычные резисторы. Если же соединить полупроводник р-типа и полупроводник n-типа между собой, то полученный прибор будет обладать выпрямительными свойствами, то есть пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом. Такое соединение называют p–n переходом, а сами полупроводники с различными проводимостями — р- и n-областями.

1.3.1 Физические процессы в p–n переходе при отсутствии внешнего напряжения

При отсутствии внешнего напряжения (рисунок 1.5, а) в силу хаотичного перемещения электронов из n-области (кружочки с «–» на рисунке 1.5, а), где они являются основными носителями, переходят в p-область. Там они заполняют дырки (кружочки с «+» на рисунке 1.5, а), которые в p-области являются основными носителями.

Нейтральные атомы в n-области, которых покинули электроны, становятся неподвижными положительными ионами (квадратики с «+» на рисунке 1.5, а). Нейтральные атомы в р-области, в которых электроны заполнили дырки, превращаются в неподвижные отрицательные ионы (квадратики с «–» на рисунке 1.5, а). Благодаря этому на границе p–n перехода со стороны n-области начинает накапливаться положительный электрический заряд, а со стороны р-области — отрицательный. Таким образом, между р- и n-областями создается разность потенциалов Up–n, которая возрастает по мере увеличения числа электронов, перешедших из n-области в р-область.

12

Эти процессы происходят до тех пор, пока разность потенциалов Up–n не достигнет величины 0,5 … 1,5 В. Такое напряжение будет препятствовать дальнейшему переходу электронов, и их движение прекратиться (рисунок 1.5, а). Таким образом, в пограничной области создается потенциальный барьер или, как говорят, запирающий слой. Потенциальная диаграмма (распределение напряжения) p–n перехода при отсутствии внешнего напряжения приведена на рисунке 1.5, г.

Рисунок 1.5 — Работа p–n перехода при отсутствии внешнего напряжения (a, г), при прямом (б, д) и обратном (в, е)

включении внешнего напряжения

1.3.2 Работа p–n перехода при прямом включении внешнего напряжения

Если «+» внешнего источника подключить к p-области, а «–» к n–области, то внутренняя разность потенциалов Up–n и внешнее напряжение UА будет действовать встречно, компенсируя друг друга (рисунок 1.5, б). При UА < Up–n запирающий слой уменьшиться, но

не исчезнет φпер= Up–n – UА (рисунок 1.5, д). Ток через p–n переход будет незначительным.

При UА ≥Up–n запирающий слой будет полностью скомпенсирован внешним напряжением, а φпер= UА – Up–n. Из p-области в n-область

13

(от «+» к «–») потекут дырки, а из n-области в p-область (от «–» к «+»)

— электроны (рисунок 1.5, б). Таким образом, через p–n переход будет перемещаться большое число основных носителей и по цепи потечет прямой ток, величина которого может достигать тысяч Ампер, а сопротивление p–n перехода будет составлять доли Ом. Такое включение p–n перехода называется прямым или проводящим.

1.3.3 Работа p–n перехода при обратном включении внешнего напряжения

Если «+» внешнего источника подключить к n-области, а «–»

кр-области, то внутренняя разность потенциалов Up–n и внешнее напряжение UА будет действовать согласно (рисунок 1.5, в). При этом запирающий слой возрастет φпер= Up–n + UА (рисунок 1.5, е), и основные носители через p–n переход проходить не смогут.

Однако для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в р-области) p–n переход будет включен в проводящем направлении, и они, перемещаясь через p–n переход, создают ток (рисунок 1.5, в). Так как число неосновных носителей крайне мало, то при таком включении величина тока незначительна и не превышает тысячных долей Ампера, а обратное сопротивление составляет тысячи Ом. Такое включение p–n перехода называется обратным или непроводящим.

Если на p–n переход подать переменное синусоидальное напряжение, то при положительной полуволне напряжения он будет работать в проводящем направлении и его сопротивление будет близко

кнулю, а при отрицательной полуволне в непроводящем направлении — близко к бесконечности. Таким образом, p–n переход обладает выпрямительными свойствами — он способен пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом. Поэтому p–n переход получил название полупроводникового диода или просто диода. Слово «диод» образовано от двух греческих слов «di» — два, и «odos»— путь.

14

1.4 Виды диодов

1.4.1 Условные обозначения и классификация диодов

Диод – полупроводниковый прибор, имеющий один p–n переход и предназначенный для выпрямления переменного напряжения в постоянное.

На рисунке 1.6 приведены структурная схема (рисунок 1.6, а), условные графическое и буквенное (рисунок 1.6, б) обозначения диода.

Вывод диода подключенный к р-области, называется анодом (А на рисунке 1.6), а вывод, подключенный к n-области, – катодом (К на рисунке 1.6).

Рисунок 1.6 – Структурная схема (а), условные графическое и буквенное (б) обозначения диода

Диоды классифицируют:

1)по мощности: диоды малой и средней мощности (прямой ток не превышает 10 А), а также силовые диоды (прямой ток более 10 А);

2)по форме р–n перехода и виду ВАХ: нелавинные (рассмотрены в данном разделе) и лавинные (рассмотрены в разделе 2);

3)по конструктивному выполнению: штыревые и таблеточные.

1.4.2 Конструктивные выполнения диодов

В штыревых диодах (рисунок 1.7, а) выпрямительный элемент припаивается к медному основанию, на котором с противоположной стороны расположен ребристый охладитель (рисунок 1.7, б).

Выводы со стороны крышки корпуса могут выполняться как жесткими, так и гибкими. В зависимости от ориентации полупроводниковой структуры по отношению к основанию и крышке корпуса различают диоды прямой (анод на основании) и обратной (катод на основании) полярности.

Штыревая конструкция позволяет осуществить лишь одностороннее охлаждение полупроводниковой структуры. Поэтому диоды такой конструкции применяются на токи до 500 А.

15

1 – выпрямительный элемент; 2, 3 – соединительные втулки; 4 – крышка корпуса; 5, 7 – серебряные прокладки; 6 – внешний медный гибкий вывод; 8 – медное основание корпуса; 9 – уплотнительное кольцо; 10 – контактная чашечка; 11 – внутренний медный гибкий вывод; 12 –стеклянный изолятор; 13 – контакт охладителя; 14 – охладитель

Рисунок 1.7 – Конструкция (а) и общий вид (б) штыревого диода

В таблеточных диодах (рисунок 1.8) выпрямительный элемент помещен в керамический корпус между двумя медными основаниями, к которым с противоположных сторон крепятся охладители (рисунок 1.9), отводящие тепло в обе стороны. Это позволяет при одинаковых площадях p–n перехода пропустить по таблеточным диодам значительно больший ток, чем по штыревым. Диоды такой конструкции применяются на токи до 10 000 А.

16

1 – выпрямительный элемент; 2, 8 – серебряные прокладки; 3, 9 – медные основания; 4 – керамический корпус; 5 – манжет из меди; 6 – медная мембрана; 7 – фторопластовое кольцо для центровки выпрямительного элемента; 10 – углубления для фиксации положения таблетки относительно охладителей

Рисунок 1.8 – Конструкция таблеточного диода (вид сбоку)

Рисунок 1.9 – Фотография таблеточного диода вместе с охладителями

17

1.5 Вольт-амперная характеристика диода

Основной характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), определяющая зависимость тока, протекающего через диод IA, в функции приложенного напряжения UA: IA = f(UA).

ВАХ диода снимают в прямом (проводящем) – IF = f(UF) (Forward – вперед) и в обратном (непроводящем) направлениях – IR = f(UR) (Re- verse – обратный).

Различают два вида ВАХ: статическую, которую обычно снимают для диодов малой и средней мощности, и классификационную, которую обычно снимают для силовых диодов.

Статическая характеристика снимается при приложении к диоду постоянного идеально сглаженного напряжения (рисунок 1.10, а) по схеме, изображенной на рисунке 1.10, б.

Рисунок 1.10 – Форма напряжения (а) и схема снятия (б) статической ВАХ диода VD1

Классификационная характеристика снимается при подаче на диод постоянного пульсирующего, полученного при выпрямлении однополупериодной схемой синусоидального переменного напряжения (рисунок 1.11, а). Схема снятия такой ВАХ изображена на рисунке 1.11, б. Здесь диод VD0 является однополупериодным выпрямителем, который срезает отрицательные полуволны синусоидального напряжения.

Изменяя напряжение UА в схемах по рисункам 1.10, б и 1.11, б от нуля до максимального значения UА МАХ, снимают статическую или классификационную ВАХ диодов в прямом IF = f(UF) («+» на анод, «–» на катод) и обратном IR = f(UR) («+» на катод, «–» на анод) направлениях.

При замерах обычно используют приборы, измеряющие средние величины напряжении и токов. Для определения амплитудных зна-

18

чений при снятии классификационной ВАХ можно замеренные средние величины умножить на π или использовать приборы, показывающие амплитудные значения.

Рисунок 1.11 – Форма напряжения (а) и схема снятия (б) классификационной ВАХ диода VD1

Токи, протекаемые по диоду, и падения напряжения, возникающие на диоде в проводящем и непроводящем направлениях, различны. Поэтому ВАХ в проводящем и непроводящем направлении снимаются при различных величинах напряжений, приборами на разных пределах измерения и строятся на графике не в одинаковых масштабах.

На рисунке 1.12 изображена классификационная ВАХ силового диода Д161–200, 25 класса.

Рисунок 1.12 – Классификационная ВАХ силового диода

19

Впроводящем направлении характеристика диода состоит из двух участков ОА и АВ.

На участке ОА (рисунок 1.12), когда прямое напряжение подаваемое на диод не превышает примерно 1,5 В, запирающий слой не

скомпенсирован внешним напряжением (UА < Up–n), сопротивление диода достаточно велико, прямой ток мал и ВАХ является нелинейной.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения (участок АВ)

запирающий слой исчезает (UА > Up–n), через p–n переход устремляются основные носители заряда, сопротивление диода резко падает,

аток практически линейно возрастает. Таким образом, при неболь-

шом прямом напряжении UF, равном единицам вольт, по диоду протекает прямой ток IF , равный сотням ампер.

Внепроводящем направлении характеристику диода также можно представить как состоящую из двух участков ОС и СD.

При увеличении напряжения в обратном направлении ток IR очень мал и возрастает крайне медленно (участок ОС на рисунке 1.12), так как он обусловлен движением неосновных носителей заряда, число которых незначительно. Поэтому даже при больших напряжениях

UR, достигающих у силовых диодов нескольких тысяч вольт, ток не превышает тысячных долей ампера.

Когда обратное напряжение достигает некоторого предельного значения (т. С на рисунке 1.12), которое называется напряжением пробоя, происходит резкое возрастание обратного тока (участок СD на рисунке 1.12), и диод пробивается и выходит из строя.

1.6 Виды пробоев диодов

Пробой и резкое увеличение IR вызвано интенсивным ростом количества неосновных носителей, возникающих при разрыве ковалентных связей между атомами полупроводника. Различают следующие виды пробоев, которые могут возникать как по отдельности, так и одновременно.

1.Тепловой – разрывы ковалентных связей происходят под действием увеличения температуры p–n перехода обратным током IR.

2.Зенеровский (электростатический) – разрывы ковалентных связей происходят за счет сильного электрического поля, создаваемого обратным напряжением UR.

20