7. Литература

7.1. Вакулин И. М., Стафеев В. И. Физика полупроводниковых приборов, - 2-е изд. – М. : Радио и связь, 1990.

7.2. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов/ Н. М. Тугов, Б. А. Глебов, Н. А. Чарыков; Под ред. В. А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1990.

7.3. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. М.: Высш.шк., 1987.

7.4. Булычев А. Л., Прохоренко В. А. Электронные приборы: Учебн. пособие для вузов по спец. «Радиотехника». – Мн.: Высш.шк., 1987

7.5. Гусев В. Г., Гусев Г. М. Электроника. Издание второе. М: Высш.шк., 1991.

7.6. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия 1977.

7.7. Справочник по полупроводниковым диодам/ Бородин Б. А. и др.; Под редакцией И. Ф. Николаевского. – М.: Связь, 1979.

7.8. Полупроводниковые приборы : Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/ А. В. Баюков и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. М.: Энергоиздат, 1982.

7.9. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник/ К. М. Брежнев и др. Под ред. Б. Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981.

7.10.Галкин В. И., Прохоренко В. А. Полупроводниковые приборы: (диоды и транзисторы). – Мн.; Беларусь, 1979.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N3

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ДИОДОВ.

1. Цель работы

Целью работы являются исследование полупроводниковых дио­дов в импульсном режиме: включение диода, отключение диода и переключение на обратное напряжение, экспериментальное опреде­ление основных параметров импульсных диодов, ознакомление с их классификацией, изучение конструкции и принципа действия диодов Шоттки.

2.Теоретические сведения

При изменении напряжения на диоде и тока через диод соот­ветствующим образом изменяются ширина р-n перехода и распреде­ление подвижных зарядов (электронов и дырок) в приграничных к р-n переходу областях. При изменении тока (или напряжения) новое распределение зарядов устанавливается не мгновенно, а в течение определенного времени. Инерционные свойства полупроводниковых диодов характеризуется длительностью происходящих в них переход­ных процессов в импульсном режиме - при переходе из проводяще­го состояния в непроводящее и обратно.

Импульсные полупроводниковые диоды - это диоды, предназна­ченные для работы в импульсном режиме и имеющие малую длитель­ность переходных процессов.

Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением инжектированных зарядов в базе несимметричного р-n перехода при прямом смещении и их рассасыванием при переключе­нии на обратное напряжение. Основные процессы при этом - диффу­зия и рекомбинация, которые протекают относительно медленно и влияют на процесс включения и выключения диода.

Кроме того, переходный процесс в диоде обусловлен переза­рядом барьерной емкости обратносмещенного р-n перехода.При малых токах, перезаряжающих барьерную емкость (что ха­рактерно при переключении диода на обратное напряжение), процессперезаряда емкости через внешнее и внутреннее сопротивления может быть длительным, а это приводит к замедлению перехода дио­да из проводящего состояния в непроводящее.

Эквивалентная малосигнальная схема диода (рис.1) содержит:

C_бар - барьерная емкость р-n перехода,

r_пер - дифференциальное сопротивление р-n перехода,

r_Б - объемное сопротивление базы несимметричного перехода

Общее напряжение на диоде содержит две составляющие: напряжение на переходе U_пер и падение напряжения на r_Б : U_rБ = I_д·r_Б. При достаточно больших прямых токах дифференциальное сопротив­ление r_пер = φ_Т/I_пр мало, влияние емкости C_бар можно не учитывать. Переходные процессы в диоде обусловлены модуляцией (изменением) сопротивления r_Б. При обратном включении дио­да из-за малости протекающих токов влияние r_Б несущественно, определенную роль играют процессы рассасывания зарядов в базе и перезаряд C_бар.

Рис.1. Эквивалентная схема полупроводни­кового диода в режиме малого сигнала.

Рис.2. Временные диаграммы тока и на­пряжения на диоде при включении на прямой ток.

Рис.3. Распределение неосновных носителей заряда в базе при включении диода.

Рассмотрим процессы в полупроводниковом диоде при включе­нии его на заданный прямой ток (рис.2). Такой режим характерен для большинства практических случаев, когда внешнее сопротивле­ние значительно превышает сопротивление диода и ток через диод слабо зависит от напряжения на диоде. В исходном состоянии при t < t₀ ток через диод отсутствует, напряжение на диоде равно нулю, концентрация неосновных носителей в базе равна равновес­ной P_n0 (рис.З). Характер переходного процесса различен для случаев низкого и высокого уровней инжекции, т.е. зависит от величины прямого тока. При малых токах в момент формирова­ния импульса I_пр , напряжение на диоде увеличивается скач­ком на величину I_д·r_Б, затем по мере заряда емкости постепенно возрастает до установившегося значения - график 1 на рис.2. На рис.З приведено распределение инжектированных че­рез прямосмещенный р-n переход неосновных носителей в базе дио­да в различные моменты времени. Для времени t ≥ t₃ напряжение на диоде и распределение P_n(x,t) можно считать установившимся. В течение переходного процесса граничная концентрация P_n(0,t) постепенно увеличивается от P_n0 до установившейся величины, что приводит к плавному увеличению напряжения на переходе. Вследствие постоянного тока градиент концентрации на границе с р-n переходом (значение производной функции P_n(x,t) коорди­нате в т. х=0) постоянен, так как полный ток I_пр обусловлен током диффузии инжектированных зарядов.

При высоком уровне инжекции, когда граничная концентрация неосновных зарядов больше концентрации основных: P_n(0)>n_n0, характер переходного процесса качественно изменяется. По мере накопления зарядов в базе сопротивление и падение напряжения уменьшаются. Напряжение U_д имеет выброс, соответствующий начальному высокому значению сопротивления r_Б, - график 2на рис.2. - и уменьшается до установившегося значения U_пр. Плавное увеличение напряжения U_пер за счет заряда емкости большим током I_пр при этом практически не влияет на суммарное напряжение U_д.

Максимальное прямое напряжение на диоде U_пр.и. при за­данной амплитуде прямого тока называется импульсным прямым напряжением. Время t_уст в течение ко­торого прямое напряжение уменьшается от максимального до вели­чины 1,2 от установившегося U_пр, называют временем установления прямого сопротивле­ния (напряжения),

В режиме отключения прямой ток резко уменьшается до нуля, напряжение на диоде за счет накопленного заряда в базе в тече­ние переходного процесса отличается от нуля. Временные диаграм­мы сигналов и графики P_n(x,t) приведены на рис.4 и 5.

В начальный момент времени t₀ при отключении прямого тока напряжение на диоде уменьшается на величину I_пр·r_Б. Уменьшение концентрации накопленных дырок в базе происходит за счет рекомбинации с электронами. В условиях отсутствия тока через р-n переход значение градиента концентрации на границе с переходом равно нулю, а функции Pn(x,t) при X=0 проходят горизонтально

Рис.4. Диаграммы тока и напряжения при отключении диода.

Рис.5. Распределение неосновных зарядов в базе при отключении диода.

Через время t_рас процесс рассасывания накопленного заря­да в базе заканчивается, концентрация дырок в базе становится равной равновесной, а напряжение уменьшается до нуля. Время рас­сасывания зависит от величины накопленного заряда и увеличива­ется с увеличением прямого тока. Скорость рассасывания опреде­ляется скоростью рекомбинации и для её увеличения необходимо уменьшать время жизни неосновных носителей заряда - дырок в n-базе или электронов в р-базе. Временная диаграмма напряжения на диоде при отключении прямого тока позволяет оценить время жизни неосновных носителей заряда. Для этого на линейном участ­ке изменения напряжения U_пр измеряют время спада ∆t напряжения на величину ∆U и рассчитывают время жизни по формуле

_Р=t·_Т/∆U (1)

При переключении диода на обратное напряжение за счет накопле­ния заряда в базе, диод в течение времени переходного процесса остается в проводящем состоянии. Через диод протекает импульс­ный обратный ток I_обр.и. , амплитуда которого может на несколь­ко порядков превышать статический обратный ток, постоянно умень­шаясь до установившегося значения I_{обр.уст.}.

Рис.6. Диаграммы тока и напряжения при переключении диода.

Этап рассасывания длится до тех пор, пока граничная кон­центрация неосновных носителей P_n(0,t) превышает равновес­ную P_n0. В течение этого этапа на диоде сохраняется малое напряжение. Длительность этапа рассасывания tp при пере­ключении значительно меньше, чем при отключении диода, так как дырки уходят из базы через р-n переход. Скорость уменьшения концентрации дырок зависит от времени жизни и от величины им­пульсного обратного тока I_обр.и.. Величина импульсного обратного тока определяется сопротивлением внешнего резистора Rобр,а при его отсутствии – сопротивлением r_Б диода.

(2)

На этапе рассасывания заряда при постоянстве I_обр градиент концентрации P_n(x,t) при x=0 сохраняется постоянным - гра- фики для t₁ и t₂ рис.7.

Рис.7. Распределение дырок в базе диода при переключении на обратное напря­жение

После окончания этапа рассасывания граничная концентрация дырок становится меньше равновесной, градиент концентрации не может поддерживаться достаточно большим - графики для t₃ и t₄ , ток диода постоянно уменьшается до малого значения статического обратного тока I_{обр.уст.} Обратное сопротивление диода восста­навливается, а напряжение на диоде увеличивается до U_обр.. Ус­тановившееся напряжение на диоде U_обр практически равно на­пряжению источника сигнала, так как практически всегда падение напряжения на внешнем резисторе из-за протекания установившего­ся обратного тока пренебрежимо мало:

U_обр = E_обр - R_обр·I_{обр.уст} ≈ E_обр (3)

Скорость восстановления обратного напряжения на диоде в значительной степени определяется значением R_обр внешнего резистора и емкостью C_бар.

Интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода с заданного прямого тока I_пр в состояние заданного обратного напряжения U_обр до момента достижения обратным током заданного низкого значения I_обр на­зывается временем восстановления об­ратного сопротивления.

Длительность t_вос зависит от длительности этапа расса­сывания tp, который в свою очередь зависит от величины I_обр.и , т.е. от значения внешнего резистора R_обр . Поэтому часто в справочных данных приводят такой параметр импульсных диодов, как заряд переключения - часть накоп­ленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь при переключении с прямого тока на обратный.

Основные параметры импульсных диодов определяются процесса- ми накопления и рассасывания неравновесных концентраций зарядов, длительность которых пропорциональна времени жизни неосновных носителей заряда. Для уменьшения времени жизни примеси, играющие роль ловушек рекомбинации, например, золото. Умень­шение удельного сопротивления базы приводит к росту обратного тока диода и к уменьшению допустимого обратного напряжения.

Быстродействие мощных приборов снижается не только за счет роста накопленных зарядов (из-за протекания больших прямых токов) но и из-за роста C_бар за счет необходимости увеличения пло­щади перехода.

Уменьшить влияние эффекта накопления неосновных носителейзаряда, и существенно повысить быстродействие позволяют импульсные диоды на основе контакта металл-полупроводник - диоды Шоттки.Взаимное расположение энергетических уровней металла и примесныхполупроводников характеризуется разностью работ выхода электрона из твердого тела. Работа выхода - это энергетическое расстояние между уровнем свободного электрона вне твердого тела (вакуум) и уровнем Ферми. Из зонных диаграмм неконтактирующих слоев видно, что работа выхода из металла больше, чем работа выхода A_n полупроводника n-типа и меньше, чем А_р полупроводника р-типа. Соотношение уровней Ферми в металле и в примесных полупроводниках имеет вид φ_Fp < φ_FM < φ_Fn.

При контакте металла с полупроводником n-типа заполненность уровней в зоне проводимости полупроводника выше, чем уровней с такой же энергией в металле. Поэтому электроны пе­реходят из граничного слоя полупроводника в металл. Уменьшение концентрации электронов вызывает увеличение энергетического расстояния между уровнями Ферми и дном зоны проводимости энергетические уровни искривляются вверх. На границе металл-полупроводник образуется потенциальный барьер, образованный зарядами ионов доноров в полупроводнике и электронами в метал­ле. Область пространственного заряда имеет размеры порядка долей микрон и обладает большим сопротивлением по сравнению со слоями полупроводника и металла.

Если внешнее напряжение приложить плюсом к металлу и минусом к полупроводнику, то высота потенциального барьера уменьшается, приграничный слой насыщается электронами, сопротивление области пространственного заряда уменьшается, через диод Шоттки протекает большой ток. Такое включение является прямым. Если внешнее напряжение приложить минусом к металлу и плюсом к полупроводнику, то высота потенциального барьера увеличится, сопротивление диода возрастает. Через диод протекает малый обратный ток, образованный движением дырок из полупроводника n-типа в металл.

По сравнению с полупроводником р-типа в металле энергети­ческие уровни, соответствующие зоне проводимости полупроводника, заполнены больше. Поэтому при их контакте электроны переходят из металла в полупроводник. Из-за рекомбинации электронов с дырками в граничной слое образуется область пространственного заряда ионов акцепторов. Вследствие уменьшения концентрации дырок рас­стояние между уровнем Ферми и дном зоны проводимости уменьшает­ся. Это вызывает искривление уровней вниз и образование потенци­ального барьepa для дырок р-слоя. Внешнее напряжение в зависи­мости от полярности увеличивает или уменьшает высоту потенциаль­ного барьера и проводимость контакта в целом. В отличие от преды­дущего случая металл выполняет роль катода, а полупроводник р-типа - роль анода.

Рис.8. Зонные диаграммы металла и примес­ных полупроводников и образование выпрямляюще­го контакта металл-полупроводник.

Диоды Шоттки по сравнению с кремниевыми диодами на основе р-n переходов имеют меньшее прямое напряжение, больший обратный ток и экспоненциальную зависимость прямого тока от напряжения в широком диапазоне токов из-за отсутствия тока рекомбинации.

Особенностью диодов Шоттки является отсутствие инжекции и накопления неосновных зарядов в соответствующих слоях полупро­водника.

Для диодов Шоттки основным параметром, характеризующим быст­родействие, являются время жизни неравновесных (неосновных) носи­телей заряда и барьерная емкость.

В соответствии с принятой классификацией импульсные диоды разделяются на группы по времени восстановления обратного сопро­тивления

Первый элемент цифро-буквенного кода обозначает исходный полупроводниковый материал:

Г или I - германий и его соединения.

К или 2 - кремний и его соединения,

А или 3 - соединения галия, например, арсенид галлия,

И или 4 - соединения индия.

Второй элемент - буква, определяющая подкласс приборов:

D - выпрямительные и импульсные, универсальные.

А - СВЧ, импульсные.

Третий элемент - цифра, определяющая функциональные воз­можности приборов, для импульсных диодов - время восстановления обратного сопротивления:

4. - t_вос > 500 нс;

5. - 150 нс < t_вос ≤ 500 нс;

6. - 30 нс < t_вос ≤ 150 нс;

7. - 5 нс < t_вос ≤ 30 нс;

8. - I нс < t_вос ≤ 5 нс;

9 - импульсные (диоды Шоттки) с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда менее I нс.

Четвертый элемент - двухзначное (иногда трехзначное) чис­ло, обозначающее номер разработки : цифры 01÷99(001÷999).

Пятый элемент - буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.