Обратное смещение p-n-перехода

Рассмотрим случай, когда источник U_b внешнего напряжения подключен к p-n-переходу в обратном направлении (рис. 2.4, а). В этом случае потенциальный барьер возрастает на величину U_b и становится равным φ₀ + U_b (рис. 2.4, б). При этом увеличивается объемный заряд в p-n-переходе и его ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через p-n-переход основных носителей заряда, вследствие чего диффузионный ток, обусловленный движением этих носителей, уменьшается. Дрейфовый же ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда по обе стороны перехода (J_др = J_{др p} + J_{др n} ) можно считать неизменным (рис. 2.4, в). Однако теперь он будет превышать диффузионный ток. Через p-n-переход будет протекать ток в обратном направлении   J_b = J_др – J_диф.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики показана на рис. 2.4, г. При небольших обратных напряжениях наблюдается увеличение обратного тока за счет уменьшения диффузионной составляющей. При большем обратном напряжении основные носители заряда не способны преодолеть потенциальный барьер, в связи с чем диффузионный ток равен нулю. Этим объясняется отсутствие роста обратного тока при увеличении обратного напряжения.

Обратный ток, создаваемый неосновными носителями заряда, зависит от их концентраций в p- и n-слоях, а так же от рабочей поверхности p-n-перехода. Этим объясняется тот факт, что в мощных приборах, имеющих большую площадь p-n-перехода, обратный ток больше, чем в маломощных. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда является функцией температуры кристалла, обратный ток так же зависит от температуры. По этой причине обратный ток иногда называют тепловым. Увеличение обратного тока с ростом температуры подчиняется примерно экспоненциальному закону.

Как известно, концентрация неосновных носителей заряда уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны у кремния (1,12 эВ) больше, чем у германия (0,72 эВ). Поэтому обратный ток в кремниевых приборах на несколько порядков меньше, чем в германиевых и кремниевые приборы допускают эксплуатацию при более высокой температуре кристалла (135-140°С против 50-60°С у германиевых приборов). Кроме того, по этой же причине кремниевые приборы выпускаются на более высокие обратные напряжения, чем германиевые.

Емкость p-n-перехода

 

 

Так как при обратном смещении p-n-перехода образуются концентрированные неподвижные заряды, его можно рассматривать как электрический конденсатор. Такая система будет иметь барьерную емкость, зависящую от площади и ширины p-n-перехода, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. Величина барьерной емкости влияет на динамические свойства p-n-перехода и используется в некоторых приборах.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое запрещенная зона, зона проводимости и валентная зона.

2. Как получают примесные полупроводники.Перечислите виды полупроводниковых резисторов и их предназначение. при прямом и обратном смещениях p-n-перехода.

3. Объясните процессы возникающи

Литература [1, 2].

 

 

3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ приборы

 

Диоды

 

 

Полупроводниковый диод представляет собой полупро­водниковый кристалл с двумя слоями проводимости, за­ключенный в корпус и снабженный двумя выводами для присоединения во внешнюю цепь.

По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные, импульсные, туннельные, кремниевые стабилитроны, варикапы, магнитодиоды, светоизлучающие диоды, фотодиоды, а также другие элементы, которые построены на основе полупроводникового p-n-перехода.

Общим для всех типов диодов является то, что все они выполнены на основе полупроводникового p-n-перехода. В зависимости от типа диода в качестве рабочего участка используется прямая или обратная ветвь вольт-амперной характеристики p-n-перехода. На рис. 6 показана вольт-амперная характеристика диода. Наиболее общими для всех диодов считаются четыре параметра: предельно допустимый прямой ток I_{пр max}, прямое падение напряжения ∆U_а (на прямой ветви вольт-амперной характеристики), предельно допустимое обратное напряжение U_{обр max} и обратный ток I_обр при заданной температуре кристалла (на обратной ветви вольт-амперной характеристики).

Полная вольт-амперная характеристика диода может быть выражена в аналитической форме уравнением

,

где I_s = SJ_др = I_обр – ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда; j_Т – тепловой потенциал; J_др – плотность тока дрейфа; S – площадь p-n-перехода.

Согласно приведенному выражению при U =0 ток I_a = 0. В случае приложения прямого напряжения (U = U_a > 0) в выражении единицей можно пренебречь и зависимость I_a (U_a) будет иметь экспоненциальный характер. В случае обратного напряжения (U = U_b < 0) можно не учитывать достаточно малую величину e^U/j_T и тогда I_a = I_b = I_обр.

Обратная ветвь ВАХ диода показана на рис. 3.1. На участке 0-1 происходит увеличение обратного тока за счет уменьшения тока диффузии до нуля, поэтому составляющей обратного тока остается только ток дрейфа. На участке 1-2 у идеальных диодов обратный ток не изменяется, так как при неизменной температуре количество неосновных носителей заряда, создающих обратный ток, при изменении обратного напряжения не меняется. Однако в реальных диодах существует ток утечки, поэтому на самом деле участок 1-2 имеет наклон. На участке 2-3 проявляется влияние явления генерации носителей заряда, которое на участке 3-4 приводит к электрическому пробою.

Электрический пробой может быть лавинным или туннельным. Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей заряда в p-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. При соответствующей напряженности электрического поля носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда – электроны и дырки, которые ускоряясь полем при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер. В основе туннельного пробоя лежит непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом электроны и дырки увеличивают обратный ток через p-n-переход.

Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми процессами. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.

Участок 4-5 вольт-амперной характеристики диода соответствует тепловому пробою, который возникает при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно, так как увеличение числа носителей заряда за счет увеличения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев p-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением p-n-перехода и выходом прибора из строя.

Тепловой пробой может произойти в результате перегрева отдельного участка p-n-перехода вследствие протекания большого обратного тока при лавинном или туннельном пробое. Произведение обратного напряжения на диоде на обратный ток, протекающий по диоду - это мощность, рассеиваемая на нем, которая преобразуется в тепло, разогревающее p-n-переход, и при определенных условиях может привести к тепловому пробою.

 

 

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды, как следует из названия, предназначены для выпрямления переменного тока. Условное обозначение и структура выпрямительных диодов показаны на рис. 3.2. Диод имеет два вывода: анод (А) и катод (К).

Основные справочные параметры выпрямительных диодов:

- допустимый выпрямленный ток I_{пр ср} (среднее значение прямого тока);

-прямое падение напряжения U_{пр ≈} ∆U_пр при номинальном значении прямого тока;

- максимально допустимое обратное напряжение U_{обр max};

- обратный ток I_обр при заданном значении температуры кристалла.

Выпрямительные диоды можно условно разделить на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности. К выпрямительным диодам малой мощности относятся диоды с допустимым выпрямленным током до 300 мА. Такие диоды выпускаются на максимальные напряжения от десятков вольт до 1200 В. На более высокие напряжения выпускаются выпрямительные столбы, содержащие последовательно соединенные диоды. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых и 10 мкА для кремниевых диодов. По частотным свойствам диоды этого типа подразделяют на низкочастотные (до 400 Гц) и высокочастотные (10-20 кГц).

Конструкция и вольт-амперные характеристики сплавного германиевого диода Д7Ж (I_{a ср доп} =300 мА, U_{обр max} = 700 В) показаны на рис. 3.3.

К выпрямительным диодам средней мощности относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в диапазоне 300 мА- 10 А.

Больший прямой ток этих диодов по сравнению с маломощными достигается увеличением рабочей площади p-n-перехода.

 

Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми, поэтому обратный ток у них достаточно мал (несколько десятков микроампер) при сравнительно большой площади p-n-перехода.

Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора. Для улучшения условий теплоотвода применяют дополнительные охладители-радиаторы. Для крепления на радиатор корпус диода имеет стержень с винтовой нарезкой. Диоды с плоским основанием крепят (прижимают) к радиатору с помощью фланцевого соединения. Пример возможной конструкции выпрямительных диодов средней мощности показан на рис. 3.4.

К выпрямительным диодам большой мощности (силовым диодам,  вентилям) относятся диоды на токи от 10 А и выше (рис. 3.5). Отечественная промышленность выпускает силовые диоды на токи 10, 16, 25, 40 и т.д. до 1000 А и обратные напряжения до 3500 В. Силовые вентили имеют градацию по частоте и охватывают частотный диапазон до десятков килогерц.

Работа силовых вентилей при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением большой мощности в p-n-переходе. Поэтому предусматриваются методы эффективного отвода теплоты, выделяемой в p-n-переходе. В установках с мощными вентилями применяют воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении отвод теплоты производится с помощью радиатора и проходящего вдоль его ребер потока воздуха. При этом охлаждение может быть естественным или принудительным, когда используется принудительный обдув радиатора с помощью вентилятора. При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость, например, вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости.

Предельные характеристики для выпрямительных диодов на сегодня составляют 10 кВ / 8 кА. Совершенно очевидно, что выпрямительные диоды будут за­нимать существенную часть в большинстве силовых электрон­ных систем также и в будущем. И хотя это достаточно прорабо­танный класс приборов силовой электроники, их развитие непрерывно продолжается.

Импульсные диоды

Особой разновидностьюполупроводниковых диодов являются полупроводниковые высокочастотные и импульсные диоды, при создании которых достигнуты малые значения внутренних емкостей и малое время переключения из проводящего состояния в непроводящее и обратно.

К основным параметрам импульсных диодов наряду со статическими параметрами выпрямительных диодов относятся динамические параметры:

- время установления прямого сопротивления t_у;

- время восстановления обратного сопротивления t_в;

- заряд переключения Q.

Динамические параметры импульсного диода можно измерить, собрав схему однополупериодного выпрямителя, работающего на резистивную нагрузку и питающегося от источника напряжения прямоугольной формы (рис. 3.6). Временные диаграммы тока нагрузки i, напряжения u_{Д и} мощности Р_Д, рассеиваемой на импульсном диоде VD, показаны на рис. 3.7.

Напряжение на входе схемы в момент времени t₀ скачком приобретает положительное значение U_m. Из за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени t_у = t_нар. Одновременно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое в момент времени t₁ становится равным U_пр. В цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода i = I_н = U_m/R_н. Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t₂, когда полярность входного напряжения u_И меняется на противоположную. Однако заряд, накопленный на границе p-n-перехода, некоторое время поддерживает диод в открытом состоянии, хотя направление тока под действием входного напряжения u_И меняется на противоположное. По существу происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т.е. разряд эквивалентной емкости). Этот процесс продолжается в интервале времени t_рас = t₃ – t₂.

К моменту времени t₃ напряжение на диоде становится равным нулю и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени t₄, после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным нулю, а напряжение достигает значения – U_m . Таким образом, время восстановления обратного сопротивления t_в = t_рас + t_вос

Из временной диаграммы мощности Р_Д, рассеиваемой на диоде (мощности потерь) следует, что мощность потерь резко повышается при его включении и, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямленного напряжения.

 

 

Кремниевые стабилитроны

Стабилитроны – это полупроводниковые приборы, работающие в режиме лавинного пробоя. Условное графическое изображение стабилитрона показано на рис. 3.8, а. Рабочим участком стабилитрона является обратная ветвь вольт-амперной характеристики, которая соответствует лавинному пробою (рис. 3.8, б).

Напряжение стабилизации стабилитрона зависит от температуры. На рис. 3.8, б пунктирной линией показано смещение характеристик при увеличении температуры. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации у стабилитронов с напряжением стабилизации U_ст > 5 В положительный, а у стабилитронов с напряжением стабилизации U_ст < 5 В – отрицательный. При U_ст  = 5-6 В ТКН близок к нулю.

Основные параметры стабилитронов (рис. 3.9):

- напряжение стабилизации U_ст;

- минимальный I_{ст мин}  и максимальный I_{ст макс} токи стабилизации;

- дифференциальное сопротивление стабилитрона;

- температурный коэффициент стабилизации ТКН;

- максимально допустимая мощность рассеяния Р_рас = U_ст I_ст.

Дифференциальное сопротивление r_д характеризует качество стабилитрона, т.е. степень изменения напряжения стабилизации при изменении тока стабилизации r_д = ∆U_ст/∆ I_ст

Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжения на диоде. Такие полупроводниковые приборы называют стабисторами. В области прямого смещения p-n-перехода напряжение на нем составляет (0,7-2) В и мало зависит от тока. Поэтому стабисторы применяют только для стабилизации малых напряжений (до 2 В). Параметры стабистора аналогичны параметрам стабилитрона с той лишь разницей, что они соответствуют прямой ветви вольт-амперной характеристики стабистора.

Схемы включения стабилитронов и стабисторовпоказаны на рис. 3.10.

Варикапы

Варикапы – это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость p-n-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения. Условное графическое обозначение и зависимость емкости варикапа от обратного напряжения приведены на рис. 3.11, а,б.

Основные параметры варикапа: начальная емкость С₀ (при U_обр=0), добротность Q_C = Q/P, где Q – реактивная мощность варикапа; Р – мощность, рассеиваемая на варикапе, коэффициент перекрытия по емкости К_С = С_макс/С_мин , температурный коэффициент емкости a_с = ∆С/∆Т и предельная частота f_пред, при которой добротность варикапа снижается до Q_С = 1.

 

 

Туннельные диоды

В основе туннельного эффекта лежит непосредственный отрыв электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Туннельный эффект создается в узких p-n-переходах, где при сравнительно небольших напряжениях имеется высокая напряженность поля. При этом через узкий p-n-переход протекает значительный ток. Этот ток протекает в обоих направлениях, но в прямом направлении ток сначала растет, а достигнув значения I_max при напряжении U₁ (рис. 3.12, а) затем довольно резко убывает до I_min при напряжении U₂. Снижение тока связано с уменьшением числа электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U₂ число таких электронов становится равным нулю и туннельный эффект исчезает. При дальнейшем увеличении напряжения выше U₂ прохождение прямого тока такое же как у обычного диода и определяется диффузией.

На прямой ветви вольт-амперной характеристики туннельного диода (ТД) можно выделить три участка. Начальный участок роста тока от 0 до I_max при увеличении напряжения от 0 до U₁ (участок положительного сопротивления), участок спадания тока от I_max до I_min при увеличении напряжения от U₁ до U₂ (участок отрицательного сопротивления) и участок дальнейшего увеличения тока от I_min при увеличении напряжения от U₂ и далее.

Наличие участка отрицательного сопротивления позволяет создавать на основе туннельных диодов генераторы напряжения высокой частоты. Для возникновения колебаний в схеме генератора необходимо, чтобы нагрузочная характеристика проходила через участок отрицательного сопротивления ТД и сопротивление нагрузки было меньше отрицательного сопротивления ТД. Высокая частота генерируемых колебаний обеспечивается тем, что ТД практически безинерционный прибор, а на частоту генерируемых колебаний наибольшее влияние оказывает индуктивность выводов ТД.

 

 

Фотодиоды

 

 

Фотодиод (ФД) представляет собой диод с открытым p-n-переходом. Световой поток, падающий на открытый p-n-переход, приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей заряда. В результате этого увеличивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется выражением

I = I_S(e^U/j_т –1) – I_ф = I_диф – (I_S + I_ф),

где I_ф = S_iФ – фототок; S_i – интегральная чувствительность; Ф – световой поток.

Вольт-амперные характеристики ФД приведены на рис. 3.13, а, условное графическое изображение – на рис. 3.13, б.

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах: 1) короткого замыкания и 2) холостого хода. В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю и ток в диоде равен фототоку, т.е.I = - I_ф = -S_iФ.

Таким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком.

В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого хода U_хх  лежит на оси абсцисс (рис. 3.13, а). Прологарифмировав предыдущее выражение, можно получить величину напряжения холостого хода

U_хх = j_тln(I_ф/I_S + 1).

Таким образом, при I_ф = 0 между электродами при освещении появляется разность потенциалов, называемая фото-ЭДС. Фото-ЭДС равна напряжению U_хх и не может превышать контактной разности потенциалов j_к. Для кремниевых фотодиодов напряжение U_хх не превышает 0,7 В.

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения. К основным характеристикам фотодиодов можно отнести: диапазон длин волн принимаемого излучения; интегральную чувствительность S_i, темновой ток I_т  и постоянную времени t.

Обозначение фотодиода состоит из букв ФД и порядкового номера разработки. Например, фотодиод ФД24К имеет интегральную чувствительность 0,5 мкА/лк и темновой ток 1 мкА. В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним или расположенным в одном корпусе вместе с фотоприемником.

 

 

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающие диоды (СИД) преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация электронов и дырок происходит с выделением тепла без светового излучения. Такая рекомбинация называется фононной. В СИД преобладает рекомбинация с излучением света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения нужно менять материал, из которого изготовлен светодиод, или изменять ток. На рис. 3.14 показано условное графическое изображение светодиода.

Для изготовления светодиодов используют фосфид галлия или арсенид галлия. Для диодов видимого излучения часто используют фосфид-арсенид галлия. Из отдельных светодиодов собирают блоки и матрицы, которые позволяют высвечивать изображения букв и цифр.

Диоды с барьером Шоттки

Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шоттки (ДШ). В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. Процессы в таком переходе зависят от работы выхода электронов, т.е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Если в контакте металла с полупроводником n – типа работа выхода электронов из полупроводника будет меньше чем работа выхода из металла, то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями и поэтому имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер (барьер Шоттки), высота которого будет существенно меняться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает выпрямляющими свойствами. Аналогичные выпрямляющие свойства имеет контакт металла с полупроводником р – типа если работа выхода электронов из полупроводника будет больше чем работа выхода из металла. В ДШ отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов неосновных носителей, характерные для электронно-дырочных переходов.

Условное графическое изображение ДШ показано на рис. 3.15.

Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам: более низкое прямое падение напряжения; не высокое обратное напряжение; более высокий обратный ток; почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Низкое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного сопротивления обусловливают область применения ДШ – низковольтные высокочастотные выпрямители.

Максимальное обратное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150 В. При этом напряжении прямое падение напряжения меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2 – 0,3 В. Преимущества ДШ особенно заметны при выпрямлении малых напряжений. При понижении обратного напряжения ДШ до 15 В прямое напряжение снижается до 0,3 – 0,4 В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет снизить потери примерно на 10 – 15%. Максимальная рабочая частота ДШ составляет 200 кГц и более при токе до 30 А.

---

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2684; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!