2.5. Емкости p-n-перехода

Двойной электрический слой пространственного заряда p-n-перехода, обедненный подвижными носителями заряда, имеет конечную толщину и его можно рассматривать как плоский конденсатор с емкостью

C = , (2.11)

где ₀ – электрическая постоянная;– диэлектрическая проницаемость полупроводника;– ширина перехода.

Ширина для несимметричныхp-n-переходов (N_D << N_A) равна

= , (2.12)

где N_D – концентрация донорных примесей; U – внешнее напряжение, которое входит в формулу (2.12) со зна­ком плюс, если оно запирающее.

Из (2.11) и (2.12) следует зависимость емкости от приложенного напря­жения

C = ,

где – контактная разность потенциалов; С₀ – ёмкость при U = 0.

Емкость С называется барьерной емкостью .

Изменение напряжения на переходе приводит к изменению неравно­весной концентрации носителей в базе. Это явление сходно с процессами в конденсаторе, на обкладках которого изменение зарядов пропорцио­нально изменению приложенного напряжения. Емкость, определяющаяся отношением изменения величины инжектированного заряда в базе к изме­нению приложенного напряжения, носит название диффузионной. Эта ём­кость

С_D = , (2.13)

где – время жизни инжектированных носителей в базе.

При прямых напряжениях барьерная емкость меньше диффузионной и её можно не учитывать, при обратных наоборот.

Контрольные вопросы

1. Что такое электронно-дырочный переход?

2. Как распределяются носители и электрические заряды в различных об­ластях p-n-перехода?

3. От чего зависит контактная разность потенциалов в p-n-переходе?

4. От чего зависит ширина обедненного слоя p-n-перехода?

5. Как Вы понимаете условие равновесия в p-n-переходе?

6. Какие процессы происходят в p-n-переходе при прямом и обратном смещениях?

7. Что такое тепловой ток?

8. В чём состоят отличия ВАХ реального диода от ВАХ идеального p-n-перехода?

9. Что такое барьерная емкость p-n-перехода?

3. Полупроводниковые диоды

3.1. Классификация, разновидности

Полупроводниковый диод представляет собой p-n-переход, имеющий два вывода – от p- и от n-области, помещенный в герметичный корпус. По своему назначению диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные и импульсные.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования перемен­ного тока низкой частоты в постоянный. Такие функциональные узлы на­зываются выпрямителями. Возможная схема выпрямителя изображена на рис. 3.1.

Вположительный полупериод напряжения ди­од оказывается включен­ным в прямом направ­ле­нии, его сопротивление мало и все входное на­пряжение прикладывается к нагрузке. В отрицательный полупериод диод включен в обратном направлении, имеет большое сопротивление. Ток в цепи и напряжение наR близки к нулю. Таким образом, на нагрузке будет пульсирующее напряжение, содержащее постоянную составляющую.

Пригодность выпрямительных диодов к применению характеризуется электрическими параметрами, соответствующими номинальному (уста­новленному стандартом или техническими условиями) и предельно допус­тимому режимам работы, а также величинами, определяющими механиче­скую и климатическую устойчивость диодов. Электрическими параметрами диодов являются: прямой ток I_пр, выпрямленный I_ср (среднее за период значение тока через диод в однополупериодной схеме выпрямителя с ак­тивной нагрузкой), обратный ток I₀; прямое U_пр и обратное U_обр напряже­ния, емкость диода при обратном смещении. К параметрам предельного режима работы диода, при которых обеспечивается заданная надежность при длительной работе относятся: наибольшее обратное напряжение U_{обр макс}, наибольший выпрямленный ток I_{ср.макс}, предельная частота выпрямле­ния f_макс, наибольшая температура корпуса t_{к макс}.

Для выпрямления переменных напряжений на частотах, значительно больших, чем промышленная, используются высокочастотные диоды.

Выпрямительные свойства диода с увеличением частоты ухудшаются из-за емкостей диода. Высокочастотные диоды имеют малую емкость, кото­рая является одним из основных параметров этих диодов. Уменьшение емкости достигается уменьшением площади p-n-перехода. Кроме емкости высокочастотные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные диоды. Как правило, высокочастотные диоды работают при малых токах и напряжениях.

Для работы в режиме переключения применятся импульсные диоды. Они используются в импульсных схемах, имеют хорошие высокочастотные свойства и малую длительность переходных процессов. Импульсные диоды должны работать, как правило, при токах больших, чем высокочас­тотные диоды. С увеличением прямого тока возрастает роль инерционных процессов в электронно-дырочном переходе. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

При протекании через диод прямого тока в базе вблизи перехода соз­дается избыточная концентрация неосновных носителей заряда. Этот за­ряд тем больше, чем больше прямой ток и время жизни неосновных носи­телей в базе. После прекращения прямого тока неравновесный заряд не может исчезнуть мгновенно и сохраняется в базе в течение некоторого времени, порядка времени жизни неосновных носителей.

При быстром изменении прямого напряжения на обратное в первый момент наблюдается резкое увеличение обратного тока по сравнению с установившимся значением, а следовательно, и снижение обратного со­про­тив­ления. Возникновение броска обратного тока обусловлено тем, что избыточные неосновные носители, находящиеся в базе, вытягиваются по­лем перехода обратно в ту область, где они являются основными. Лишь после того, как концентрация неосновных носителей достигнет своего рав­но­вес­но­го значения за счёт рекомбинации, ток спадает до своего устано­вившегося значения. Это время называется временем восстановления об­ратного сопротивления и является важным параметром импульсных диодов.

Наличие избыточной концентрации носителей заряда в базе приводит к снижению прямого сопротивления диода. После подачи на диод прямого напряжения электропроводность базы будет возрастать постепенно по мере ее заполнения носителями. Поэтому прямое сопротивление диода в переходном режиме оказывается большим, чем в статистическом. Интер­вал времени между началом протекания тока и моментом, когда напряже­ние на диоде достигнет величины 1,2 от установившегося значения, назы­вают временем установления прямого сопротивления . Оно также явля­ется важным параметром импульсных диодов. Для уменьшенияив импульсных диодах уменьшают толщину базы и вводят примеси, сни­жающие время жизни носителей заряда в базе.

В настоящее время широко применяются диоды с р-i-n-структурой, в которой две сильнолегированные области р- и n-типа разделены доста­точно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-я об­ласть). Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи гра­ниц i-й области. Распределение электрического поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного р-n-перехода). Таким образом, i-область с низкой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектрической проницаемостью можно принять за конден­сатор, «обкладками» которого являются узкие (из-за большой концентра­ции носителей в р- и n-областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная емкость р-i-n-диода определяется размерами i-го слоя и при дос­таточно широкой области от приложенного постоянного напряжения прак­тически не зависит.

Особенность работы р-i-n-диода состоит в том, что при прямом напря­жении одновременно происходит инжекция дырок из р-области и электро­нов из n-области в i-область. При этом его прямое сопротивление резко падает. При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i-й области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к до­полнительному возрастанию сопротивления i-й области по сравнению с рав­новесным состоянием. Поэтому для р-i-n-диода характерно очень большое отношение прямого и обратного сопротивлений, что при использовании их в переключательных режимах.

В качестве высокочастотных универсальных используются структуры с Шоттки и Мотта. В этих приборах процессы прямой проводимости опреде­ляются только основными носителями заряда. Таким образом, у рассмат­риваемых диодов отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоп­лением и рассасыванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие высокочастотные свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шоттки состоит в том, что тонкий i-й слой создан между металлом М и сильно легированным полупроводником n⁺, так что получается структура М-i-n. В высокоомном i-м слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщина обедненного слоя в n⁺-области очень мала и не зависит от напряжения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от напряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шоттки, которые в отличие от р-n-перехода почти не накапливают неос­новных носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления t_вост (около 100 пс).

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоплением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обратного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоуголь­ную форму (рис.3.2). При этом значение t₁, может быть значи­тель­ным, но t₂ должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Получение малой длительностиt₂ связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя р-n-перехода путем неравномерного распределения примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришедших через обедненный слой при прямом напряжении, и поэтому препятствует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их концентрироваться около гра­ницы. При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способствовать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехода. В момент t₁, когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный заряд неос­новных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, ока­зывается малым и время t₂ спадания обратного тока до значения I₀.