- •Методические указания
- •«Исследование диодов»
- •Сызрань 2010
- •Сведения из теории проводимость полупроводников
- •2.1 Общие сведения о полупроводниках
- •2.2 Собственная проводимость полупроводников
- •2.3 Примесная проводимость полупроводников
- •2.4 Электронно-дырочный переход
- •2.4.1 Образование и равновесное состояние р-n перехода
- •2.4.2. Энергетическая диаграмма р-n перехода
- •2.4.3 Формулы для диффузионного и дрейфового токов
- •2.5 Электронно-дырочный переход при включении внешнего напряжения
- •2.5.1 Прямое включение р-n перехода
- •2.5.2. Обратное включение р-n перехода
- •2.6 Инжекция неосновных носителей
- •2.7. Вольт-амперная характеристика идеального р - n перехода
- •2.8 Отличие вольт-амперной характеристики
- •2.9 Виды пробоя р-n перехода
- •2.10 Емкость р-n перехода
- •2.11. Эквивалентная схема р-n перехода
- •Полупроводниковые диоды
- •3.1. Классификация полупроводниковых диодов
- •3.2 Устройство полупроводниковых диодов
- •3.3. Основные общие параметры диодов
- •3.4. Типы полупроводниковых диодов
- •3.4.1. Выпрямительные диоды
- •3.4.1.1 Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов
- •3.4.1.2 Влияние температуры и проникающей радиации на характеристики и параметры диодов
- •3.4.2. Универсальные (высокочастотные) диоды.
- •3.4.3. Сверхвысокочастотные диоды
- •3.4.4. Переключательные p-I-n диоды
- •3.4.5. Варикапы
- •3.4.6. Импульсные диоды
- •3.4.7. Туннельные и обращённые диоды
- •3.4.8. Стабилитроны и стабисторы
- •3.4.9. Фотодиоды
- •3.4.10. Излучательные диоды
- •Выполнение лабораторной работы на лабораторном стенде «тэц и оэ – нрм» Перечень используемых минимодулей
- •Порядок выполнения работы
- •Выполнение лабораторной работы на лабораторном стенде 17д – 01.
- •Порядок выполнения работы.
- •Содержание отчета.
- •Контрольные вопросы.
- •Литература.
2.9 Виды пробоя р-n перехода
Пробоем р-n перехода называют резкое увеличение тока. Различают два основных вида пробоя – электрический и тепловой. В свою очередь электрический пробой делят на лавинный и туннельный.
Лавинный пробой возникает в результате ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника быстрыми электронами. Электроны, двигаясь через р-n переход, ускоряются в нём сильным электрическим полем (Е р-п (о,8 …1,2) 105 В/см) ,приобретая энергию достаточную для того ,чтобы при соударении с атомами полупроводника ионизировать их, образуя пары электорн-дырка. Вновь образованные электроны , ускоряясь полем, в свою очередь могут также вызвать ионизацию атомов. Происходит лавинообразный процесс размножения носителей, приводящий к резкому увеличению тока через р-n переход . Лавинный пробой характерен для широких р-n переходов, образованных полупроводниками с малой концентрацией примесей, в которых возможна многократная последовательная ионизация атомов решётки.
Туннельный пробой возникает вследствие проявления туннельного эффекта, который заключается в том, что электроны под действием очень сильного электрического поля (порядка 106 В/см) совершают прямой переход из валентной зоны области р в зону проводимости области n без затраты энергии. Туннельный пробой характерен для узких р-n переходов, образованных полупроводниками с большой концентрацией примесей.
Лавинный и туннельный пробои являются управляемыми электрическими пробоями – в режиме этих пробоев можно управлять величиной тока обратным напряжением. Это свойство используется в полупроводниковых приборах, называемых стабилитронами. При значительном увеличении обратного напряжения электрический пробой может перейти в тепловой (рис. 2.12)
Тепловой пробой возникает вследствие перегрева р-n перехода обратным током большой величины, когда количество тепла, выделяемого в переходе, превосходит количество тепла, отдаваемого от него. При этом увеличивается тепловая мощность, выделяющаяся в переходе Р = Uобр Iобр и его температура. В свою очередь увеличение температуры приводит к увеличению термогенерации пар носителей, а следовательно, обратного тока и рассеиваемой мощности. Процесс развивается лавинообразно до возникновения теплового пробоя. Возрастание тока происходит даже при уменьшении падения напряжения на переходе из-за появления большого числа носителей зарядов в нем (резкого уменьшения сопротивления) - участок ЕF на рис. 2.12. Тепловой пробой является необратимым и приводит к выходу из строя р-n перехода.
2.10 Емкость р-n перехода
Электронно-дырочный переход обладает емкостными свойствами. Различают два типа емкостей р-n перехода – барьерную (зарядную) и диффузионную.
Барьерной емкостью называют емкость, образованную разноимёнными объемными зарядами примесных атомов доноров и акцепторов. При изменении приложенного к р-n переходу напряжения, изменяется ширина р-n перехода и его объемный заряд. Изменение величин заряда на переходе при изменении напряжения происходит не мгновенно, а постепенно, что характерно для емкостного эффекта.
.
По своей природе и физическим свойствам эта емкость сходна с емкостью плоского конденсатора, поэтому ее можно определить по следующей формуле (плоского конденсатора).
. (2.9)
Из этой формулы следует, что барьерная емкость зависит от концентрации примесей, толщины и площади р-n перехода, а также величины и полярности приложенного напряжения. Чем выше концентрация примесей, тем меньше ширина р-n перехода и больше барьерная емкость.
При воздействии на р-n переход обратного напряжения (-U) переход расширяется, а барьерная емкость уменьшается. Прямое напряжение (Uпр) сужает р-n переход, что ведет к увеличению Сбар.. Примерный вид зависимости Сбар.от приложенного напряжения имеет вид, приведённый на рис.2.13. Изменение Сбар. от внешнего напряжения используется в специальных полупроводниковых приборах – варикапах и параметрических диодах, которые применяются для генерирования, усиления сигналов, автоматической подстройки, умножения частоты и т.д. В интегральных микросхемах Сбар используется в качестве конденсаторов.
Рис. 2.13
При прямом включении р-n перехода к барьерной емкости добавляется диффузионная Сдиф . она характеризует накопление подвижных носителей заряда в р и n областях. Предположим , что р-n переход включен в прямом направлении. Подвижные носители зарядов инжектируют через понизившийся потенциальный барьер, и не успев рекомбинировать, накапливаются, образуя Сдиф.
Величина диффузионной емкости может быть определена по следующее формуле:
. (2.20)
Отсюда видно, что Сдиф тем больше, чем больше прямой ток через р-n переход и время жизни неосновных носителей (чем больше прямой ток, тем больше число носителей накапливаются по обе стороны от перехода, а чем больше время жизни, тем дольше будут существовать накопленные заряды не рекомбинируя).
Полная емкость р-n перехода определяется как сумма емкостей.
СП = Сбар + Сдиф.
При включении р-n переход в прямом направлении, преобладает Сдиф и СП Сдиф, а в обратном направлении – барьерная (Сдиф 0, СП Сбар).