П/п диоды. Типы, назначение, характеристики



ЭДП при отсутствии напряжения

В результате того, что носители заряда в каждом ПП совершают беспорядочно тепловое движение, то происходит их диффузия из одного ПП в другой. Как и при любой другой диффузии, например, в газах или жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их концентрация больше, туда, где их концентрация меньше. Т.о. из n-типа в ПП р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из ПП р-типа в n-типа диффундируют дырки.

В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух ПП с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает объемный положительный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени – пришедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и, отчасти, пришедшими сюда электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов Uk = Un – Up, а следовательно, и электрическое поле с напряженностью Ек, т.е. в р-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Причем, чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем больше их число диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов Uк, т.е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-n-перехода d (рис.1) уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины.

Рис.1 – Структурная схема и потенциальная диаграмма n-р перехода

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из n-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в n-область (дрейф). При постоянной температуре р-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении. Перемещение носителей за счет диффузии – это диффузионный ток (Iдиф), а движение носителей под действием поля – ток дрейфа (Iдр). В установившемся режиме, т.е. при динамическом равновесии перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен 0.

В р-n-переходе концентрация электронов и дырок плавно меняется от минимального значения к максимальному. В результате этого в средней части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей (обедненный носителями слой). Соответственно и удельная электрическая проводимость р-n-перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях областей n и р. Таким образом, в р-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объектов n- и р- ПП.


ЭДП при прямом напряжении

Область на границе двух ПП с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или p-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства ППП основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Напряжение на ЭДП, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым.

Рис.2.2. ЭДП при прямом переходе.

Электрическое поле создаваемое прямым напряжением действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Результирующее поле становиться слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшается, т.е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, т.к. он зависит главным образом от числа не основных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на p-n—переход из n- и р- областей. Напряжение на переходе можно считать равным Uк - Uпр.

При прямом напряжении iдиф>iдр и поэтому полный ток через переход, т.е. прямой ток, уже не равен 0: iпр=iдиф-iдр>0

Если барьер значительно понижен, то тогда iдиф>>iдр и можно считать, что iпр=iдиф, т.е. прямой ток в переходе является чисто диффузионным.

Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения потенциальный барьер в область, где эти носители являются не основными, называется инжекцией носителей заряда. Область ППП, из которой инжектируются носители, называется эмиттером. А область, в которой инжектируются не основные для этой области носители заряда, называется базой. Т.о. если рассматривать инжекцию электронов, то n-область является эмиттером, а р-область - базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а базой - n-область.

Обычно концентрация примесей, а, следовательно, и основных носителей в n- и р- областях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из области с более высокой концентрацией основных носителей преобладает. Соответственно этому области и называются “эмиттер” и “база”. Например, если nn>pp, то инжекция электронов из n-области в р-область значительно превосходит инжекцию дырок в обратном направлении. В данном случае эмиттером считают n-область, а базой р-область, т.е. инжекцией дырок можно пренебречь.

При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также уменьшается толщина запирающего слоя (dпр<d) и его сопротивление в прямом направлении становиться малым (единицы- десятки Ом).

Поскольку высота потенциального барьера Uк при отсутствии внешнего напряжения составляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к p-n переходу такое же прямое напряжение (десятые доли вольта). Поэтому большой прямой ток можно получить при очень небольшом прямом напряжении.


ЭДП при обратном напряжении

 

Рис.2.3. ЭДП при обратном напряжении.

Область на границе двух ПП с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или p-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства ППП основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Под действием обратного напряжения Uобр через переход протекает очень небольшой обратный ток iобр,                          

что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна Uк+Uобр. Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т.е. iдиф=0, т.к. собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на p-n переход из n- и р- областей. Выведение неосновных носителей через p-n переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей заряда. Т.о. обратный ток iобр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается не очень большим, т.к. неосновных носителей очень мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Т.к. при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становиться сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев в глубь n- и p- областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (dобр>d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т.е. Rобр>>Rпр. Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становиться практически постоянным.


П/п диоды. Типы, назначение, характеристики

Полупроводниковый диод, по существу, представляет собой электронно-дырочный переход. ВАХ диода достаточно точно соответствует выражению:

I = I0( -1),

где I0 - ток насыщения, q = 1,6·10-19 Кл - заряд электрона, Т - абсолютная температура, U - внешне приложенное напряжение, к = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Рис.4.1. Вольтамперная характеристика диода.

 

При комнатной температуре величина Uт=кТ/q=25 мВ (представляет собой термодинамический потенциал и зависит только от температуры), следовательно, при отрицательном (т.е. обратном) приложенном напряжении от десятых долей вольта и выше слагаемым е(-U / 0.025) можно пренебречь по сравнению с единицей и ток оказывается равным I = I0 не зависящим от напряжения. При положительном (т.е. прямом) приложенном напряжении в десятые доли вольта и выше можно пренебречь единицей по сравнению со слагаемым e( U / 0.025) и, следовательно, ВАХ оказывается близкой к экспоненте.

ВАХ реального диода совпадает с кривой, соответствующей выражению до значений обратного напряжения, близких к Uобр.max. При дальнейшем увеличении Uобр наступает пробой диода, при котором обратный ток резко возрастает.

Различают два вида пробоя:

а) электрический (обратимый); б)тепловой (не обратимый), выводящий ППП из строя. Электрический пробой может быть двух видов: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для р-n переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. (Uобр=(10…100) В).

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью 105 В/см, действующем в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей (Uпр=1В).

При обратном напряжении p-n переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p- и n- области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от носителей заряда). Эту емкость называют барьерной, ее значение зависит от площади p-n перехода и может составлять от единиц до сотен пФ.

При прямом напряжении емкость p-n перехода определяется так называемой диффузионной емкостью, обусловленной неосновными носителями, которые диффундируют через пониженный потенциальный барьер и накапливаются, не успевая рекомбинировать. Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением диода.

Классификация диодов.

1) По конструктивно- технологическим признакам диоды подразделяют:

а) точечные и плоскостные; б) сплавные и диффузионные.

2) По функциональному назначению и принципу образования p-n перехода:

а) выпрямительные; б) стабилитроны; в) варикапы; г) туннельные; д) импульсные;          е) диоды Шотки; ж) фотодиоды; з) светодиоды, и т.д.

3) По мощности:

а) диоды малой мощности (прямой дополнительный ток до 0.3 А); б) средней мощности (от 0.3 А до 10 А); в) большой мощности (свыше 10 А).

Выпрямительные диоды.

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называются выпрямительными. Для выпрямления низкочастотных сигналов применяются плоскостные низкочастотные выпрямительные диоды.

Импульсные диоды.

Диоды работают в импульсном режиме при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды.

Диоды Шотки.

Принцип действия основан на использовании выпрямительного перехода между металлом и полупроводником. Так как в металлической базе диода не происходит накопления и рассасывания неосновных носителей, то диоды Шотки обладают большим быстродействием и могут работать на частотах до 20ГГц.

Стабилитроны.

Стабилитроны - полупроводниковые приборы, имеющие на своей ВАХ при обратном включении в области электрического пробоя участок, на котором напряжение слабо зависит от изменения тока. Может быть использован для стабилизации напряжения. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.

Рис.4.5. Вольтамперная характеристика стабилитрона.

Стабисторы.

ПП диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабилизаторов используется не обратное, а прямое напряжение, значение которого в среднем не более 0.7 В. Особенность стабисторов - отрицательный ТКН. Поэтому их применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН.

Варикапы.

Варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые изменением обратного напряжения. (Используется барьерная емкость p-n перехода.) Применяются главным образом для настройки колебательных контуров.

Туннельные диоды.

Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в p-n переходе границы всех энергетических зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера (в ЭВ). В обычных ПП диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещенной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины, т.к. они обычно изготавливаются из полупроводников с очень высокой концентрацией примесей.

Основные параметры туннельных диодов:ток максимума Imax; ток минимума Imin (или соотношение Imax/Imin);напряжение максимума U1; напряжение минимума U2; наибольшее напряжение U3, соответствующее току Imax на втором восходящем участке ВАХ (участок БВ). Разность DU = U3 – U1 называется напряжением переключения или напряжением скачка. Токи в современных диодах составляют единицы миллиампер. Напряжения – десятые доли вольта. На рисунке изображена ВАХ туннельного диода.

Обращенные диоды.

Принцип действия тоже основан на туннельном эффекте, причем высота потенциального барьера при отсутствии внешнего напряжения равна ширине запрещенной зоны, в результате чего при прямом напряжении обращенный диод работает как обычный выпрямительный диод, а при обратном - как туннельный. Поэтому обращенный диод при обратном включении обладает лучшей проводимостью, чем при прямом. Обращенные диоды могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, чем обычные диоды.


Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 544; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!