P-N переход - точка в полупроводниковом приборе, где материал N-типа и материал P-типа соприкасаются друг с другом. Материал N-типа обычно упоминается как катодная часть полупроводника, а материал P-типа - как анодная часть.

Когда между этими двумя материалами возникает контакт, то электроны из материала n-типа перетекают в материал p-типа и соединяются с имеющимися в нем отверстиями. Небольшая область с каждой стороны линии физического соприкосновения этих материалов почти лишена электронов и отверстий. Эта область в полупроводниковом приборе называется обедненной областью.

Эта обедненная область является ключевым звеном в работе любого прибора, в котором есть P-N переход. Ширина этой обедненной области определяет сопротивление протеканию тока через P-N переход, поэтому сопротивление прибора, имеющего такой P-N переход, зависит от размеров этой обедненной области. Ее ширина может изменяться при прохождении какого-либо напряжения через этот P-N переход. В зависимости от полярности приложенного потенциала P-N переход может иметь либо прямое смещение, либо обратное смещение. Ширина обедненной области, или сопротивление полупроводникового прибора, зависит как от полярности, так и от величины поданного напряжения смещения.

Когда P-N переход прямой (с прямым смещением), то тогда на анод подается положительный потенциал, а на катод - отрицательный. Результатом этого процесса является сужение обедненной области, что уменьшает сопротивление движению тока через P-N переход.

Если потенциал увеличивается, то обедненная область будет продолжать уменьшаться, тем самым еще больше понижая сопротивление протеканию тока. В конце концов, если подаваемое напряжение окажется достаточно велико, то обедненная область сузится до точки минимального сопротивления и через P-N переход, а вместе с ним и через весь прибор, будет проходить максимальный ток. Когда P-N переход имеет соответствующее прямое смещение, то он обеспечивает минимальное сопротивление проходящему через него потоку тока.

Когда P-N переход обратный (с обратным смещением), то отрицательный потенциал подается на анод, а положительный - на катод.

Это приводит к тому, что в результате обедненная область расширяется, а это вызывает увеличение сопротивления протеканию тока. Когда на P-N переходе создается обратное смещение, то имеет место максимальное сопротивление протеканию тока, а данный переход действует в основном как разомкнутая цепь.

При определенном критическом значении напряжения обратного смещения сопротивление протеканию тока, которое возникает в обедненной области, оказывается преодоленным и происходит стремительное нарастание тока. Значение напряжения обратного смещения, при котором ток быстро нарастает, называется пробивным напряжением.

Подавляющее большинство современных полупроводниковых приборов функционируют благодаря тем явлениям, которые происходят на самих границах материалов, имеющих различные типы электропроводности.

Полупроводники бывают двух типов – n и p . Отличительной особенностью полупроводниковых материалов n -типа является то, в них в качестве носителей электрического заряда выступают отрицательно заряженные электроны . В полупроводниковых материалах p -типа эту же роль играют так называемые дырки , которые заряжены положительно. Они появляются после того, как от атома отрывается электрон , и именно поэтому и образуются положительный заряд.

Для изготовления полупроводниковых материалов n -типа и p -типа используются монокристаллы кремния. Их отличительной особенностью является чрезвычайно высокая степень химической чистоты. Существенно изменить электрофизические свойства этого материала можно, внося в него совсем незначительные, на первый взгляд, примеси.

Символ « n », используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «negative » («отрицательный »). Главными носителями заряда в полупроводниковых материалах n -типа являются электроны . Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые донорные примеси: мышьяк, сурьму, фосфор.

Символ « p », используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «positive » («положительный »). Главными носителями заряда в них являются дырки . Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые акцепторные примеси: бор, алюминий.

Число свободных электронов и число дырок в чистом кристалле полупроводника совершенно одинаково. Поэтому когда полупроводниковый прибор находится в равновесном состоянии, то электрически нейтральной является каждая из его областей.

Возьмем за исходное то, что n -область тесно соединена с p -областью. В таких случаях между ними образуется переходная зона, то есть некое пространство, которое обеднено зарядами. Его ёщё называют «запирающим слоем », где дырки и электроны , подвергаются рекомбинации. Таким образом, в месте соединения двух полупроводников, которые имеют различные типы проводимости, образуется зона, называемая p-n переходом .

В месте контакта полупроводников различных типов дырки из области p -типа частично следуют в область n -типа, а электроны, соответственно, – в обратном направлении. Поэтому полупроводник p -типа заряжается отрицательно, а n -типа – положительно. Эта диффузия, однако, длится только до тех пор, пока возникающее в зоне перехода электрическое поле не начинает ей препятствовать, в результате чего перемещение и электронов , и дырок прекращается.

В выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборах для использования p-n перехода к нему необходимо приложить внешнее напряжение. В зависимости от того, какими будет его полярность и величина, зависит поведение перехода и проходящий непосредственно через него электрической ток. Если к p -области подключается положительный полюс источника тока, а к n -области – полюс отрицательный, то имеет место прямое включение p-n перехода . Если же полярность изменить, то возникнет ситуация, называемая обратным включением p-n перехода .

Прямое включение

Когда осуществляется прямое включение p-n перехода , то под воздействием внешнего напряжения в нем создается поле. Его направление по отношению к направлению внутреннего диффузионного электрического поля противоположно. В результате этого происходит падение напряженности результирующего поля, а запирающий слой сужается.

Вследствие такого процесса в соседнюю область переходит немалое количество основных носителей заряда. Это означает, что из области p в область n результирующий электрический ток будет протекать дырками , а в обратном направлении – электронами .

Обратное включение

Когда осуществляется обратное включение p-n перехода , то в образовавшейся цепи сила тока оказывается существенно ниже, чем при прямом включении. Дело в том, что дырки из области n будут следовать в область p , а электроны – из области p в область n . Невысокая сила тока обуславливается тем обстоятельством, что в области p мало электронов , а в области n, соответственно, – дырок .

Электронно-дырочный переход (p –n -переход) – это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.

Области разделены плоскостью, где изменяется тип преобладающих примесей и называемой металлургической границей. Вблизи металлургической границы существует обедненный подвижными носителями заряда слой, где присутствуют неподвижные ионизированные атомы примеси (рис. 3.1).

Рис. 3.1 . Электронно-дырочный переход

Неподвижные ионы в обедненном слое создают объемные электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Тем самым создается диффузионное электрическое поле напряженностью Е диф и контактная разность потенциалов к. Величина контактной
разности потенциалов зависит от концентрации акцепторной примеси
N A , N D и температуры:

.

Толщина обедненного слоя также зависит от концентрации при­месей:

,

где А – коэффициент, определяемый материалом полупроводника.

3.2. Ток через p–n- переход

Через p–n -переход течет ток, представляющий сумму диффузионной и дрейфовой составляющих. Диффузионный ток образуется основными носителями заряда, для движения которых диффузионное поле является тормозящим. Увеличение диффузионного тока увеличивает напряженность поля Е диф, контактную разность потенциалов и потенциальный барьер . Это приводит к уменьшению тока. Таким образом устанавливается равновесие.

Дрейфовый ток образуется неосновными носителями заряда, для которых диффузионное поле является ускоряющим.

В равновесном состоянии сумма диффузионного и дрейфового токов равна нулю:

I диф + I др = 0.

3.3. Прямое включение p –n -перехода

Прямым называется такое включение, при котором создаваемое внешним напряжением поле направлено против диффузионного поля (рис. 3.2).

Рис. 3.2 . Прямое включение p–n -перехода

В результате контактная разность потенциалов уменьшается, потенциальный барьер снижается, ток основных носителей заряда через переход увеличивается.

3.4. Обратное включение p – n -перехода

Обратное включение p – n -перехода характеризуется тем, что напряженность поля, создаваемого внешним напряжением, совпадает по направлению с напряженностью диффузионного поля (рис. 3.3).

Рис. 3.3 . Обратное включение p –n -перехода

В результате контактная разность потенциалов увеличивается, потенциальный барьер повышается, ток основных носителей заряда через переход уменьшается.

3.5. (ВАХ)
идеализированного p–n- перехода

Вольт-амперная характеристика p –n -перехода – это зависимость тока через переход от приложенного к нему напряжения.

Идеализация p–n -перехода заключается в принятии следующих
допущений.

1. Прилегающие к переходу области p и n характеризуются нулевым удельным сопротивлением. Поэтому внешнее напряжение прикладывается непосредственно к p –n -переходу.

2. В области p –n -перехода отсутствуют процессы генерации и рекомбинации свободных носителей заряда. Тогда ток через переход в зависимости от приложенного к переходу внешнего напряжения U внеш, т.е. вольт-амперную характеристику, можно описать формулой Шокли:

,

где I 0 – тепловой ток, который создается неосновными носителями заряда и зависит от трех факторов:

1) концентрации неосновных носителей заряда, обратно пропорциональной концентрации примесей;

2) ширины запрещенной зоны Чем больше тем мень-
ше I 0 ;

3) температуры. С увеличением температуры растет скорость генерации носителей заряда и увеличивается их концентрация.

3.6. Зонная (энергетическая) диаграмма
p–n- перехода

При U внеш = 0. Состояние равновесия. Уровень Ферми имеет одно значение для всей структуры (рис. 3.4).

При U внеш 0. Прямое включение p–n -перехода (рис. 3.5).

Рис. 3.4. Зонная диаграмма равновесного p–n -перехода

Рис. 3.5 . Зонная диаграмма при прямом включении p -n -перехода

При U внеш 0. Обратное включение p–n -перехода (рис. 3.6).

Рис. 3.6 . Зонная диаграмма при обратном включении p –n -перехода

3.7. Отличия ВАХ реального
и идеализированного p–n -переходов

Реальные p–n -переходы являются, как правило, несимметричными. При этом концентрация примеси в одной области превышает концентрацию примеси в другой. Область с большей концентрацией называется эмиттером, с меньшей – базой. Меньшая концентрация примесей означает меньшую электропроводность и большее удельное сопротивление. Поэтому в реальных p–n -переходах пренебрегать удельным
сопротивлением базы нельзя. Эквивалентная схема реального
p–n -перехода имеет вид (рис. 3.7).

Рис. 3.7 . Эквивалентная схема реального p–n -перехода

Вторым отличием реального p–n -перехода от идеализированного является наличие в обедненном слое процессов генерации и рекомбинации носителей заряда. Поэтому при обратном включении ток через переход не постоянен, а зависит от приложенного к переходу напряжения (рис. 3.8).

Рис. 3.8 . Отличие ВАХ реального p –n -перехода от идеализированного

Третье отличие заключается в присутствии явления пробоя при
обратном включении p–n -перехода.

3.8. Пробой p–n -перехода

Пробой проявляется как резкое увеличение тока через
p –n -пере­ход при незначительном изменении приложенного обратного напряжения.

Различают три вида пробоя.

Лавинный пробой – возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей заряда путем ударной ионизации. Напряжение, при котором он появляется, увеличивается с ростом температуры (рис. 3.9).

Рис. 3.9. ВАХ при лавинном пробое

Туннельный пробой – возникает за счет перехода электронов из связанного состояния в свободное без сообщения им дополнительной энергии. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается (рис. 3.10).

Рис. 3.10. ВАХ при туннельном пробое p–n -перехода

Тепловой пробой – это пробой, развитие которого обусловлено выделением тепла вследствие прохождения тока через переход. В отличие от лавинного и туннельного является необратимым, т. е. в результате пробоя переход перестает работать. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается (рис. 3.11).

Рис. 3.11 . ВАХ при тепловом пробое p–n -перехода

3.9. Зависимость ВАХ p –n -перехода
от температуры

С ростом температуры ток через p–n -переход при прямом включении растет из-за увеличения энергии носителей электрического заряда, которые за счет этого легче преодолевают потенциальный барьер.

При обратном включении p–n -перехода с ростом температуры ток через него увеличивается за счет повышения скорости генерации носителей заряда в переходе (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Зависимость ВАХ p–n -перехода от температуры

3.10. Зависимость ВАХ p–n- перехода от материала полупроводника

Вольт-амперная характеристика p – n -перехода зависит от ширины запрещенной зоны энергетической диаграммы материала полупроводника.

Чем больше ширина запрещенной зоны , тем меньше скорость тепловой генерации и меньше концентрация неосновных носителей, создающих обратный ток I 0 . Следовательно, обратный ток меньше.

При прямом включении p – n -перехода ток через него будет тем больше, чем меньше ширина запрещенной зоны. Действительно, ток через p – n -переход определяется как

.

С увеличением значения ток I 0 уменьшается и ток I также уменьшается.

Для наиболее распространенных полупроводниковых материалов Ge, Si и GaAs ВАХ соотносятся следующим образом (рис. 3.13).

Рис. 3.13 . Зависимость ВАХ p–n -перехода
от материала

3.11. Емкость p–n -перехода

В обедненном слое p – n -перехода присутствуют объемные заряды, которые образованы зарядами ионизированных донорных и акцепторных примесей. Эти заряды равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому обедненный слой подобен конденсатору. Так как заряды определяют потенциальный барьер, то емкость называется барьерной. Ее величина равна

Где ,

где S – площадь p–n -перехода, U – внешнее напряжение, приложенное к переходу, n = 0,5 для резкого перехода, n = 0,3 для плавного перехода.

Зависимость величины барьерной емкости от величины приложенного к переходу напряжения называется вольт-фарадной характеристикой (рис. 3.14).

При прямом включении p–n -пере­хода происходит процесс инжекции неосновных носителей заряда. Появляются избыточные концентрации неосновных носителей в каждой области и в соответствии с условием электрической нейтральности равные им избыточные концентрации основных носителей. Таким образом, в n -области (как в конденсаторе) оказываются в равном количестве положительный заряд избыточных дырок (неосновные носители) и отрицательный заряд избыточных электронов (основные носители). Аналогично p -область ведет себя как конденсатор с отрицательным зарядом избыточных электронов (неосновные носители) и равным ему положительным зарядом избыточных дырок (основные носители).

Процесс накопления избыточных зарядов принято характеризовать диффузионной емкостью, которая учитывает изменение избыточных носителей (дырок и электронов) в обеих областях при изменении напряжения.

Диффузионная емкость определяется прямыми диффузионными токами дырок I p и электронов I n (отсюда название емкости) и временем жизни неосновных носителей и :

.

Диффузионные токи I p и I n растут с увеличением прямого напряжения на p-n -переходе и быстро обращаются в нуль при обратном. Поэтому зависимость С диф от напряжения примерно повторяет ход прямой ветви ВАХ p–n -перехода.

Эквивалентная схема p–n -пере­хо­да, учитывающая его емкостные свой­ства, приведена на рис. 3.15.

3.12. Контакт металл–полупроводник

Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей приборов и создания быстродействующих диодов. Тип контакта металл–полупроводник определяется работой выхода электронов из металла и полупроводника, током проводимости полупроводника и концентрацией примеси в нем.

Работа выхода электронов – это энергия, необходимая для перевода электронов с уровня Ферми на потолок верхней свободной зоны.

При идеальном контакте металла с полупроводником и без учета поверхностных состояний происходит диффузия электронов преимущественно из материала с меньшей работой выхода. В результате диффузии и перераспределения зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникают контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов

где А м, А п – работа выхода электронов из металла и полупроводника.

Переходный слой, в котором существует контактное (или диффузионное) электрическое поле и который образован в результате контакта между металлом и полупроводником, называется переходом Шоттки.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и от соотношения работ выхода в полупроводнике может возникать обедненный или обогащенный слой. Если работа выхода в металле меньше работы выхода в полупроводнике А м < А п, то электроны с большей вероятностью будут переходить из металла в полупроводник. Это приводит к образованию в полупроводнике обедненного слоя, если полупроводник p -типа, или даже инверсного слоя, если А м << А п. Если полупроводник n -типа, то образуется обогащенный слой.

В обедненных слоях пространственный заряд формируется в результате нарушения компенсации заряда ионизированных примесей основными носителями, а в обогащенных – из-за накопления основных носителей заряда. Обогащенный слой обусловливает малое сопротивление приконтактной области полупроводника по сравнению с сопротивлением объема полупроводника. Поэтому такой переход не обладает выпрямляющими свойствами и образует омический контакт. При наличии обедненного или инверсного слоя переход Шоттки обладает выпрямляющими свойствами, так как внешнее напряжение, падая в основном на высокоомном переходе, будет изменять высоту его потенциального барьера, изменяя условия прохождения носителей заряда через переход.

Характерной особенностью выпрямляющего перехода Шоттки в отличие от p–n -перехода является разная высота потенциальных барьеров для электронов и дырок. В результате через переход Шоттки может не происходить инжекция неосновных носителей заряда в полупроводник. Поэтому они не накапливаются и нет необходимости в их рассасывании. Отсюда высокое быстродействие перехода Шоттки.

Гетеропереходы

Гетеропереходом называется переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками.

Ширина электрических зон различных полупроводников различна. Поэтому на границе раздела двух полупроводников (на металлургическом контакте гетероперехода) получается разрыв дна зоны проводимости и потолка валентной зоны. В результате разрывов высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью гетеропереходов, обуславливающей специфические свойства гетеропереходов в отличие от p –n -переходов.

Гетеропереходы могут образовываться полупроводниками с различным типом проводимости: p –n , p –p , n –n . В зависимости от типа проводимости и ширины запрещенной зоны энергетических диаграмм ток через переход может определяться как электронами, так и дырками. Например, через контакт германия p -типа и арсенида галлия n -типа течет в основном электронный ток (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Зонная диаграмма перехода Ge (p -типа) – GaAs (n -типа)

Через переход германий p -типа, арсенид галлия p -типа течет в основном дырочный ток (рис. 3.17).

Рис. 3.17 . Зонная диаграмма перехода Ge (p -типа) – GaAs (p -типа)

Для формирования качественного гетероперехода необходимо совпадение типа, ориентации и периода кристаллических решеток контактирующих полупроводников, чтобы кристаллическая решетка одного полупроводника с минимальным количеством нарушений переходила в кристаллическую решетку другого полупроводника. Наиболее широкое применение в полупроводниковых приборах имеют гетеропереходы между полупроводниками на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов галлия и алюминия. Благодаря близости ковалентных радиусов галлия и алюминия изменения химического состава полупроводников в гетеропереходе происходят без изменения периода кристаллической решетки. Гетеропереходы создают также на основе многокомпонентных твердых растворов, в которых при изменении состава в широких пределах период решетки не изменяется.

3.14. Структура металл–диэлектрик–полупроводник

Структуры металл–диэлектрик–полупроводник (МДП) составляют основу полевых МДП транзисторов, фотоэлектрических приборов, конденсаторов, управляемых напряжением, а также широко используются в интегральных схемах.

Простейшая МДП структура содержит полупроводниковый кристалл – подложку, слой диэлектрика, металлический электрод – затвор, омический контакт к подложке (рис. 3.17).

Рис. 3.17 . Простейшая МДП структура

Структура имеет два вывода – затвор и контакт к подложке и является МДП конденсатором, емкость которого зависит от напряжения U между затвором и выводом подложки.

Напряжение затвора создает электрическое поле, проникающее через тонкий (0,03…0,1 мкм) слой диэлектрика в приповерхностный слой полупроводника, где оно изменяет концентрацию носителей. В зависимости от значения напряжения наблюдаются режимы обогащения, обеднения или инверсии.

Эквивалентную схему МДП структуры можно представить последовательным включением двух конденсаторов С D – емкость диэлектрика и С g :

где J п – плотность заряда нескомпенсированных ионов примесей и подвижных носителей заряда в полупроводнике, j пов – напряжение в поверхностном слое полупроводника, S – площадь затвора.

Наиболее широко применяется МДП структура на основе кремния, где диэлектриком служит диоксид кремния, затвором – пленка алю­миния.

Похожая информация.

Для создания различных полупроводниковых приборов, применяемых в электронных устройствах, используют кристаллические структуры, состоящие из чередующихся областей полупроводников п - и р -типа. Взависимости от типа полупроводникового прибора, число областей с разными типами проводимости может быть две и более. Основу любого полупроводникового прибора составляют электронно-дырочные переходы.

Электронно-дырочным переходом (или кратко р-п-переходом ) называют тонкий слой между двумя областями полупроводникового кристалла, одна из которых имеет электронную, а другая - дырочную электропроводность .

Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление, диффузия одного вещества в другое, эпитаксия (ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными (п п = р р ) и несимметричными (п п >> p p или п п << р р , при этом концентрации основных носителей отличаются в 100-1000 раз), резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом - не пропускает.

Устройство полупроводникового кристалла с электронно-дырочным переходом показано на рисунке 1.5. Одна часть этого кристалла легирована (обогащена) донорной примесью и имеет электронную проводимость (п -область). Другая часть легирована акцепторной примесью и имеет дырочную проводимость (р -область). Кроме основных носителей в обеих частях кристалла имеется небольшая концентрация неосновных носителей (соответственно дырок в п -области и электронов в р -области).

Сразу после создания р -п -перехода при отсутствии внешнего электрического поля электроны из п -области стремятся проникнуть в р -область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из р -области перемещаются в п -область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток р -п -перехода. Электроны, перешедшие в р -область, рекомбинируют с дырками, в результате чего в р -области вблизи границы раздела двух типов полупроводников появятся отрицательно заряженные неподвижные ионы акцепторной примеси. В свою очередь, уход электронов из п -области приводит к появлению в приконтактной части п -области нескомпенсированных положительно заряженных неподвижных ионов донорной примеси.

Рисунок 1.5 - Упрощенная структура р-п -перехода

Одновременно с перемещением электронов, из р -области в п -область наблюдается диффузионное перемещение дырок. Этот процесс сопровождается созданием таких же неподвижных положительных и отрицательных ионов вблизи границы раздела двух типов полупроводников в п -области и р -области.

Двойной слой неподвижных электрических зарядов (ионов) создает в области р -п -перехода объемный пространственный заряд, наличие которого приводит к появлению внутреннего электрического поля ( на рисунке 1.5). Вектор этого поля направлен таким образом, что оно препятствует дальнейшему диффузионному движению основных носителей зарядов. Поэтому через короткий промежуток времени на р-п -переходе устанавливается динамическое равновесие, он становится электрически нейтральным , а ток через р-п -переход - равным нулю .

Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов y к (потенциальным барьером ), преодолеть которую носители без «сторонней помощи» не могут. Вместе с тем возникшее в р -п -переходе поле не препятствует движению неосновных носителей через переход, так как для них оно будет ускоряющим. Неосновные носители создают дрейфовый ток р -п -перехода.

Распределение плотности объемного заряда r в р -п -переходе при отсутствии внешнего электрического поля показано на рисунке 1.5.

Р-п -переход представляет собой слой полупроводника с низкой концентрацией подвижных носителей зарядов (обедненный слой ). Этот слой имеет повышенное электрическое сопротивление. Поскольку концентрация основных носителей зарядов в областях полупроводника различна, то и ширина обедненного слоя в р- и п- областях также будет различной (в области с меньшей концентрацией основных носителей она будет шире).

Контактная разность потенциалов y к на р-п- переходе зависит от концентрации примесей в областях полупроводника и определяется выражением:

где - температурный потенциал;

п i - концентрация носителей зарядов в нелегированном полупроводнике;

k » 1,38 × 10 -23 Дж/К - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура, К;

q » 1,6×10 -19 Кл - заряд электрона.

При нормальной температуре (Т = 300 К) j Т » 26 мВ. Контактная разность потенциалов для германия при этом имеет значение 0,2-0,3 В, а для кремния - 0,6-0,7 В.

Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-п- переходу. Если внешнее напряжение создает в р -п -переходе поле, вектор напряженности которого совпадает по направлению с вектором напряженности внутреннего поля (рисунок 1.6, а ), то высота потенциального барьера увеличивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается (рисунок 1.6, б ). Если полярность поля, создаваемого приложенным внешним напряжением, противоположна полярности собственного (внутреннего) поля и внешнее напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Рисунок 1.6 - Прямое и обратное смещение р-п -перехода

Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым , а если повышает - то обратным .

Обратный ток (i обр) в р -п -переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Его предельное значение (обозначим I Т ) называют обратным током насыщения или тепловым током .

Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через р-п- переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе.

При прямом смещении p-п- перехода появляется диффузионный ток , вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя р-п -переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителями. Концентрация неосновных носителей при этом может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей.

Таким образом, при протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов , а из дырочной области в электронную будет происходить инжекция дырок .

Особенности устройства р -п -перехода и процессы, протекающие в нем, рассмотрены ранее.

Гетеропереходом называют переходный слой с существующим в нем диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками. При этом проводимости двух полупроводников, образующих гетеропереход, могут быть разными или одинаковыми. Кроме этого сам переход может быть выпрямляющим или омическим .

Омическим называется переход, электрическое сопротивление которого не зависит от направления тока через него.

На рисунке 1.10 показаны структуры двух разновидностей гетеропереходов (рисунок 1.10, а , б ), а также омического перехода на контакте полупроводников с одним типом электропроводности (рисунок 1.10, в ).

а б в

Рисунок 1.10 - Разновидности электрических переходов в полупроводниковых кристаллах

На рисунке 1.11 показаны структуры полупроводниковых диодов с выпрямляющим электрическим переходом в виде р-п- перехода (рисунок 1.11, а ) и на контакте Шоттки (рисунок 1.11, б ).

а б

Рисунок 1.11 - Структуры полупроводниковых диодов на основе

р-п -перехода (а ) и перехода Шотки (б )

Буквой Н на рисунке 1.11 обозначены невыпрямляющие (омические) переходы, а буквой В - выпрямляющие электрические переходы. Буквой М обозначен металлический слой.

В основе работы большинства полупроводниковых диодов лежат процессы, происходящие в р-п -переходе, причем в реальных диодах, как правило, используются несимметричные р-п -переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей) бывает достаточно низкоомной (как правило - это р -область), а другая - высокоомной.

На рисунке 1.12 показано распределение основных носителей и области р-п -перехода в кристалле полупроводникового диода.

Рисунок 1.12 - Распределение носителей зарядов в кристалле полупроводникового диода

Вывод от р -области диода называют анодом , а от п -области - катодом . Условное графическое обозначение (УГО) диода в общем случае имеет вид, представленный на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 - УГО диода

Если положительный вывод источника напряжения подключен к аноду диода, а отрицательный - к катоду, то приложенное напряжение называется прямым , в противном случае - обратным . Ток через диод при прямом смещении р-п -перехода практически полностью определяется потоком основных носителей низкоомной области. Поэтому ее называют эмиттером. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области ширина р-п -перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то р-п -переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода определяется, в общем случае, ВАХ р-п -перехода. На рисунке 1.14 показана ВАХ диода в сравнении с ВАХ обычного (анализируемого ранее) р-п -перехода. Различия в характеристиках связаны с тем, что при анализе свойств р-п -перехода не учитывались особенности структуры кристалла диода, сопротивления полупроводниковых слоев, ширина перехода.

Рисунок 1.14 - Общий вид ВАХ диода

Если к диоду приложено прямое напряжение, превышающее по величине контактную разность потенциалов (в частности, для германиевого диода y к = 0,2-0,3 В, для кремниевого - y к = 0,6-0,7 В), то диод открыт и пропускает прямой ток (прямая ветвь ВАХ, рисунок 1.14). При этом его сопротивление незначительно (десятки-сотни Ом) и падение напряжения на диоде составляет десятые доли вольт.

При подаче обратного напряжения по абсолютной величине меньшего U обр max диод заперт и через него протекает пренебрежительно малый обратный ток I обр (обратная ветвь ВАХ, рисунок 1.14). Если обратное напряжение превысит значение U обр max , то наступает пробой р-п -перехода диода (сначала электрический, а при дальнейшем увеличении напряжения - тепловой), при котором обратный ток резко возрастает. В случае возникновения теплового пробоя диод выходит из строя («сгорает»).

В зависимости от способа изготовления р -п -перехода различают точечные , сплавные , сварные и диффузионные диоды. В точечных диодах (рисунок 1.15, а ) к предварительно очищенной поверхности кристалла полупроводника электронной проводимости прижимается жесткая заостренная игла из сплава вольфрама с молибденом. После герметизации собранного диода через него пропускают электрические импульсы большой мощности. Под действием этих импульсов приконтактная область полупроводника сильно нагревается, и непосредственно под острием иглы образуется небольшая по размерам (от 5 до 40 мкм) р -область.

Рисунок 1.15 - Способы получения р-п -перехода

В сплавных и сварных диодах (рисунок 1.15, б , в ) р -п -переход получают с помощью тонкой проволочки, содержащей атомы акцепторной примеси, при ее вплавлении или сварке с кристаллом полупроводника п -типа.

В диффузионных диодах используют метод диффузии донорных или акцепторных примесей в полупроводниковый кристалл, имеющий противоположный тип электропроводности. Диффундирующие атомы изменяют тип электропроводности небольшой части кристалла, что создает р -п -переход. Для получения малой емкости в рассматриваемом виде диодов после диффузии проводят травление приповерхностных слоев полупроводника, после которого р -п -переход сохраняется на очень малом участке, имеющем вид столика, возвышающегося над остальным кристаллом (рисунок 1.15, г ).

Эту полупроводниковую структуру называют мезаструктурой (мезадиффузионные диоды). Другую разновидность диффузионных диодов представляют собой планарные и эпитаксиально-планарные приборы (рисунок 1.15, д ), в которых диффузия примеси осуществляется через специальные «окна» в защитной окисной пленке (например, из двуокиси кремния SiO 2). Кроме небольших значений барьерной емкости в диффузионных диодах удается значительно снизить время жизни неравновесных носителей заряда за счет дополнительной диффузии золота.

Цифрами на рисунке 1.15 обозначены: 1 - р -п -переход; 2 - кристалл; 3 - омический контакт.

Для того чтобы количественно характеризовать диоды, используют различные параметры, названия и количество которых зависят от типов диодов. Некоторые из параметров используют при характеристике диодов большинства подклассов.

К ним, в частности, относятся:

I пр макс - максимально допустимый постоянный прямой ток;

U пр - постоянное прямое напряжение, соответствующее заданному току;

U обр макс - максимально допустимое обратное напряжение диода;

I обр макс - максимально допустимый постоянный обратный ток диода;

r диф - дифференциальное сопротивление диода (при заданном режиме работы).

В настоящее время существуют диоды, предназначенные для работы в очень широком диапазоне токов и напряжений. Для наиболее мощных диодов I пр макс составляет килоамперы, а U обр макс - киловольты.

Классификация полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в р -n -переходе.

Первую группу составляют выпрямительные диоды , для которых основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам.

В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:

Примерно на два порядка меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении;

Высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000-1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100-400 В;

Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - от -60 до +85 °С.

Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление при прямом смещении р -п -перехода в 1,5-2 раза меньше, чем у кремниевых, при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.

По значению выпрямленного тока выпрямительные диоды делят на диоды малой (I пр < 0,3 А), средней (0,3 А < I пр < 10 А) и большой (I пр > 10 А ) мощности.

Вторая группа диодов - высокочастотные и импульсные . В них также используют вентильный эффект, но это маломощные приборы, работающие при высоких частотах (в детекторных, смесительных каскадах) или в быстродействующих импульсных устройствах. Для диодов этих подклассов более важными являются параметры, характеризующие их быстродействие, в частности, емкость диода (обычно десятые доли-единицы пФ), время установления прямого и восстановления обратного сопротивлений (сотые доли-единицы микросекунд), частота без снижения режимов.

Условное графическое обозначение на принципиальных электрических схемах выпрямительных, высокочастотных и импульсных диодов одинаково и соответствует представленному на рисунке 1.13.

В диодах четвертой группы используют емкостные свойства р -п -перехода. В связи с тем, что р -п -переход представляет собой область , обедненную носителями зарядов , то его можно рассматривать как своеобразный плоский конденсатор , емкость которого определяется шириной р -п -перехода. Если к диоду приложить обратное напряжение и изменять его величину, то ширина р -п -перехода также будет изменяться, что эквивалентно изменению его емкости. Такое свойство р -п -перехода позволяет использовать полупроводниковый диод в качестве прибора с электрически управляемой емкостью - варикапа . Вольт-фарадная характеристика и УГО варикапа показаны на рисунке 1.17.

Кроме рассмотренных выше диодов в электронных устройствах широко используют диоды Шотки (рисунок 1.18, а ), а в специальных случаях - туннельные диоды (рисунок 1.18, б ).

Рисунок 1.17 - УГО и вольт-фарадная характеристика варикапа

а б

Рисунок 1.18 - УГО и вольт-амперные характеристики диода Шотки (а ) и туннельного диода (б )

Основным элементом диодов Шотки является электронный переход металл - полупроводник с нелинейной ВАХ. Свойства таких диодов во многом сходны со свойствами диодов с несимметричными р -п -переходами. Основное отличие диодов Шотки от диодов на основе электронно-дырочного перехода состоит в том, что в них формирование тока осуществляется основными носителями зарядов и не связано с инжекцией неосновных носителей зарядов и их рассасыванием, что обеспечивает значительно лучшие частотные характеристики таких диодов и повышает их быстродействие в импульсных устройствах.

Кроме того, сопротивление барьера Шоттки при прямом напряжении меньше прямого сопротивления р -n -перехода, поэтому прямые ветви ВАХ выпрямительного диода с барьером Шотки и диода с р-п- переходом отличаются. Диоды Шотки широко применяют в качестве элементов цифровых микросхем для улучшения их характеристик.

Туннельный диод - занимает особое место среди полупроводниковых диодов из-за свойственной ему внутренней положительной обратной связи по напряжению и хороших динамических свойств. Его ВАХ (рисунок 1.18, б ) имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок 1 -2 ). Это позволяет использовать туннельный диод в качестве активного элемента в усилителях и автогенераторах СВЧ-диапазона.

Особую группу составляют излучающие диоды и фотодиоды .

Излучающий диод (УГО представлено на рисунке 1.19, а ) - полупроводниковый диод, излучающий под действием приложенного напряжения из области р -п -перехода кванты энергии . Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

а б

Рисунок 1.19 - УГО излучающего диода (а ) и фотодиода (б )

По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы:

Диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды ;

Диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие название ИK-диоды.

Принцип действия обоих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход . Известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последней определяется типом исходного полупроводникового материала. Основными материалами для изготовления светодиодов служат фосфид галлия , арсенид-фосфид галлия , карбид кремния . Большую часть энергии, выделяемой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия . На долю энергии видимого излучения в лучшем случае приходится (10-20) %. Поэтому КПД светодиодов невелик.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды - в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах (в частности, в пультах дистанционного управления бытовой техники).

Фотодиод (УГО показано на рисунке 1.19, б ) - полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта - генерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов) свободных носителей заряда .

Фотодиоды используют для преобразования светового (или инфракрасного) излучения в электрический ток (например, в устройствах дистанционного управления бытовых приборов).

Классификация современных полупроводниковых приборов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, роду исходного полупроводникового материала находит отражение в системе условных обозначений их типов.

Система обозначений современных полупроводниковых диодов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11 336.919-81 и базируется на ряде классификационных признаков.

В основу системы обозначений положен семизначный буквенно-цифровой код, первый элемент которого (буква - для приборов широкого применения, цифра - для приборов, используемых в устройствах специального назначения) обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен прибор. Второй элемент обозначения - буква, определяет подкласс приборов, третий элемент - цифра (или буква для оптопар), определяет основные функциональные возможности прибора. Четвертый элемент - двухзначное число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа прибора, пятый элемент - буква, условно определяет классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

Например :

КД102А (2Д102А) - кремниевый выпрямительный диод со средним выпрямленным током менее 0,3 А (согласно справочнику - не более 100 мА), номер разработки 2, группа А;

АЛ103Б (3Л103Б) - арсенид-галлиевый излучающий диод ИК-диапазона, номер разработки 3, группа Б;

КС156А (2С156А) - кремниевый стабилитрон мощностью не более 0,3 Вт с напряжением стабилизации 5,6 В (номер разработки 56), группа А.

Математическая модель диода

При анализе схем электронных устройств на ЭВМ все элементы схем, в том числе и диоды, заменяются их математическими моделями. Математическая модель диода - это совокупность математических выражений, описывающих токи и напряжения в эквивалентной схеме (схеме замещения) диода. В качестве схемы замещения диода можно использовать электрическую модель Эберса - Молла для одиночного электронно-дырочного перехода, показанную на рисунке 1.20.

Рисунок 1.20 - Схема замещения полупроводникового диода

Постоянное сопротивление R д включено в схему с целью учета тока утечки. Емкость С д представляет сумму барьерной и диффузионной емкостей перехода, r - объемное сопротивление тела базы, зависящее от геометрических размеров и степени легирования полупроводника. Управляемый напряжением на переходе и п источник тока I д моделирует статическую ВАХ диода.

Ток управляемого источника тока подчиняется закону :

где I Т - ток насыщения (обратный ток) р -п -перехода;

А и М - эмпирические коэффициенты;

Т - абсолютная температура.

Числовые значения коэффициентов А и М , как правило, находят экспериментально. С этой целью можно воспользоваться ВАХ диодов, приводимыми в справочной литературе либо снятыми экспериментально. Для каждого типа диода, взависимости от его основных характеристик, технологии изготовления и т. д., эти коэффициенты будут различными.

Предложенная модель хорошо аппроксимирует ВАХ диода, кроме той области, где наступает электрический пробой (рисунок 1.21). Но, как правило, режим пробоя для большинства диодов (кроме стабилитронов) является нерабочим режимом.

Рисунок 1.21 - Аппроксимация ВАХ диода

Электрическая схема замещения диода, представленная на рисунке 1.20, в общем случае является неполной. В электрической модели (а, следовательно, и при составлении математической модели) дискретного диода необходимо также учесть наличие индуктивностей выводов L 1 и L 2 , емкости корпуса С п и контактов С к (рисунок 1.22). Такая модель называется глобальной моделью дискретного диода.

Рисунок 1.22 - Глобальная модель диода

Полупроводниковые диоды

Электронно-дырочным пере­ходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая -дырочную электропроводность.

Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть раз­личным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диф­фузионные диоды), эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные перехо­ды могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоско­стными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом - не пропускает.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 2.1а. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную прово­димость (N-область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (Р-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Электроны в N-области стремятся проникнуть в Р-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р-области перемещаются в N-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возни­кает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через гра­ницу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препят­ствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и Р-областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе при­ведено на рис. 2.1 б.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное элект­рическое поле E собств, направление которого показано на рис. 2.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное из­менение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов N- и Р-областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

где j T = kT/q - тепловой потенциал,

N n и Р р - концентрации электронов и ды­рок n - и p - областях,

n i , - концентра­ция носителей зарядов в нелегирован­ном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6... 0,7 В, а для кремния - 0,9... 1,2 В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложени­ем внешнего напряжения к р-п- переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, кото­рое совпадает с внутренним, то вы­сота потенциального барьера увели­чивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшает­ся.

Рис. 2.1. Резкий р-n- переход и распределение объемного заряда в нем

Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает пол­ностью

Вольт-амперная характеристика p-n -перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности приложенного напряжения. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его - обратным.

Приложение прямого и обратного напряжения к p-n-переходу показано на рис. 2.2.

Обратный ток в p-n-переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попа­дают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентра­ция основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей прак­тически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, об­ратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенци­ального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряже­ния на переходе.

Этот ток называется током насыщения и обозначается

I обр = I S .

При прямом смещении р-n-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер.

Пройдя p-n-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителя­ми. Концентрация неосновных носителей при этом может су­щественно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Та­кое явление носит название инжекции носителей.

Таким образом, при проте­кании прямого тока через пере­ход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из ды­рочной области будет происхо­дить инжекция дырок. Диффузи­онный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивает­ся экспоненциально:

где U - напряжение на p-n-переходе.

Рис 2 Приложение обратного (а) и прямого (б) напряжений к р-n-переходу

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, про­текающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока (2.2) и тока проводимости:

Уравнение (2.3) называется уравнением Эберса - Молла, а соответствующая ему вольт-амперная характеристика р-n-перехода приведена на рис. 2.3. Поскольку при T=300К тепловой потенциал j т =25мВ, то уже при U = 0,1 В можно считать, что

Дифференциальное сопротивление p-n-перехода можно определить, воспользовав­шись формулой (2.3):

откуда получаем

Так, например, при токе I = 1А и j Т = 25 мВ дифференциальное сопротивление пере­хода равно 25 мОм.

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной разно­сти потенциалов y к. Обрат­ное напряжение ограничива­ется пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возни­кает за счет лавинного раз­множения неосновных носи­телей и называется лавинным пробоем. При лавинном про­бое p-n-перехода ток через переход ограничивается лишь сопротивлением питающей р-п-переход электрической цепи (рис. 2.3).

Полупроводниковый р-п-переход, имеет емкость, ко­торая в общем случае опре­деляется как отношение при­ращения заряда на переходе к приращению падения на­пряжения на нем, т. е.

C=dq/du .

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной и оп­ределяется по формуле

где y К - контактная разность потен­циалов,

U - обратное напряжение на переходе,

С 6ар (0) - значение барьерной емкости при U=0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полу­проводникового кристалла.

Зависи­мость барьерной емкости от приложен­ного напряжения приведена на рис. 2.4. Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n-переходе, однако она шунтиру­ется низким дифференциальным со­противлением r диф.

Рис. 2.4 Зависимость барьерной емкости от напряжения на p-n-переходе

При прямом смеще­нии p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямо­го тока I и времени жизни неосновных носителей t р. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости можно определить по формуле

Полная емкость перехода при прямом смещении определяется суммой барьер­ной и диффузионной емкостей

При обратном смещении перехода диффузионная емкость отсуствует и полная емкость состоит только из барьерной емкости.

Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) p-n-переходов. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямитель­ные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления пе­ременного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства р-n-переходов; явле­ние пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивле­нием и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади ^-л-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материа­лом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металли­ческой подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до не­скольких МГц.

При большом токе через p-n-переход значительное напряжение падает в объе­ме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом выражения (2.4) вольт-амперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называ­ют последовательным сопротивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 2.5 а, а его структура на рис. 2.5 б. Электрод диода у подключенный к области Р, называют анодом (по анологии с электровакуумным диодом), а электрод, под­ключенный к области N, - катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 2.5 в.

Рис. 2.5. Условное обозначение полупроводникового диода (а), его структура (б) и вольт-амперная характеристика (в)

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

Падение напряжения U np на диоде при некотором значении прямого тока;

Обратный ток I о6р при некотором значении обратного напряжения;

Среднее значение прямого тока I пр ср;

Импульсное обратное напряжение U о6ри.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

Время восстановления t вос обратного напряжения;

Время нарастания прямого тока I нар;

Предельная частота без снижения режимов диода f max .

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристи­ке диода, которая приведена на рис. 2.5 в. Типовые значения статических парамет­ров силовых диодов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Статические параметры силовых выпрямительных диодов

Время обратного восстановления диода t вост является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно опре­деляется при переключении диода с заданного прямого тока I пр на заданное об­ратное напряжение U о6р. Графики такого переключения приведены на рис. 26 б. Схема испытания, приведенная на рис. 26 б, представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку R H и питаемый от источ­ника напряжения прямоугольный формы.

Напряжение на входе схемы в момент времени?=0 скачком приобретает положительное значение U m . Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени t m . Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после 4а Р становится равным £/ вр. В момент времени t t в цепи устанавливается стационар­ный режим, при котором ток диода i=I s ~U m /R B .

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t 2 , когда поляр­ность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе ^-и-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на прбишополож-ное. По существу, происходит рассасывание зарядов на гранйке5" (рчмгерехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывания /,„

начинается процесс выключения диода, т. е. процесс восстановления его запираю­щих свойств,

К моменту времени < 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальней­шем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени и, после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным 1^, а напряжение достигает значения -U m . Таким образом, время t^ можно отсчитывать от перехода U a через нуль до дости­жения током диода значения 1^.

Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода пока­зывает, что он не является идеальным вентилем и в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Время рассасывания неосновных носителей в /?-и-переходе можно определить по формуле

где х р - время жизни неосновных носителей.

Время восстановления обратного напряжения на диоде можно оценить по приближенному выражению

Следует отметить, что при R a =0 (что соответствует работе диода на емкостную нагрузку) обратный ток через диод в момент его запирания может во много раз превы­шать ток нагрузки в стационарном режиме.

Из рассмотрения графиков рис. 2.6 а следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и, особенно, при выключении. Следова­тельно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямленного напряже­ния. При работе диода на низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют и потери в диоде резко снижаются.

При изменении температуры корпуса диода изменяются его параметры. Эта зави­симость должна учитываться при разработке аппаратуры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Температурный коэф­фициент напряжения (ТКН) на диоде имеет отрицательное значение, так как при уве­личении температуры напряжение на диоде уменьшается. Приближенно можно счи­тать, что ТКН U up =-2mB/K.

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10°С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых - 2,5 раза.

Потери в выпрямительных диодах можно рассчитывать по формуле

где Р 11р - потери в диоде при прямом направлении тока, Р^ - потери в диоде при обратном токе, Р, к - потери в диоде на этапе обратного восстановления.

Рис. 2 6 Графики процессов отпирания и запирания диода (а) и схема испытания (б)

Приближенное значение потерь в прямом направлении можно рассчитать по фор­муле

где /„pep и {/„pq, - средние значения прямого тока и прямого напряжения на диоде. Аналогично можно рассчитать потери мощности при обратном токе:

И, наконец," потери на этапе обратного восстановления определяются по формуле

где/"- Частота "переменного напряжения.

После расчета мощности потерь в диоде следует определить температуру корпуса диода по формуле

где Г пмакс = 150°С - максимально допустимая температура кристалла диода, R nK - теп­ловое сопротивление переход-корпус диода (приводится в справочных данных на диод), Г к макс - максимально допустимая температура корпуса диода.

Диоды с барьером Шотки Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо р-и-перехода используется контакт металлической поверхности с полу­проводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с р-я-перехОдом по следующим параметрам:

Более низкое прямое падение напряжения;

Имеют более низкое обратное напряжение;

Более высокий ток утечки;

Почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проекти­ровании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих времени на обратное восстановле­ние, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150В. При этом напряжении прямое напряжение ДШ меньше прямого напряжения диодов с р-и-переходом на 0,2...0,3В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямле­нии малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4...0,6В, а при том же токе диод с />-л-переходом имеет падение напряжения 0,5...1,0В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3...0,4В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10...15%. Максимальная рабочая частота ДШ превышает 200 кГц при токе до 30 А.

Похожая информация.