Полупроводниковые диоды. 
Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-nперехода.

Диоды пропускают ток в одном направлении, а в обратном имеют большое сопротивление.

Диоды бывают плоскостные и точечные.

Устройство точечных диодов В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью nтипа (рис. 3.1), толщиной 0,1…0,6 мм и площадью 0,5…1,5 мм²; с пластинкой соприкасается заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью.

Около иглы образуется миниатюрный р-nпереход полусферической формы.

Для изготовления германиевых точечных диодов к пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором.(Захват электронов из валентной зоны или с донорной примеси) Для изготовления кремниевых точечных диодов используется кремний nтипа и проволочка, покрытая алюминием.

Устройство плоскостных диодов В плоскостных диодах р-nпереход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

Плоскостные диоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии (сплавным (а) и диффузионным методом (б)).

В пластинку германия nтипа вплавляют при температуре около 500С каплю индия (рис. а) которая, сплавляясь с германием, образует слой германия ртипа. Область с электропроводностью ртипа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка, и поэтому является эмиттером (электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям эмиттером). К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят германий ртипа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область nтипа.

Диффузионный метод изготовления р-nперехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник (рис. б). Для создания рслоя используют диффузию акцепторного элемента (бора или алюминия для кремния, индия для германия) через поверхность исходного материала.

P-N переход.

P-N переход в состоянии покоя В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

P-N переход в обратном направлении К области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P — отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, образуется «пустота», нет носителей заряда.

Обратный ток полупроводникового диода В закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями. такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода.

Обратный ток I₀ формирует обратную ветвь ВАХ р-п перехода. В общем случае I₀ состоит из четырех составляющих: теплового тока, тока термогенерации, тока утечки и канального тока.

Тепловой ток (I₀) обусловлен термогенерацией (процесс дополнительного переброса электронов из валентной зоны (разрыва ковалентных связей) в зону проводимости) электронно-дырочных пар в областях р- и n-типа, удаленных от i-области не далее чем на диффузионную длину (рис. 1.12). Электроны и дырки, возникающие в структуре, будут сортироваться электрическим полем: электроны устремляются в n-область, а дырки — в p-область.

Поскольку тепловой ток обусловлен процессами термогенерации носителей заряда, то он довольно сильно возрастает при увеличении температуры. Обычно тепловой ток возрастает в 2 раза при увеличении температуры на каждые 10 °C. Чем больше запрещенная зона, тем меньше вероятность термогенерации при заданной температуре и, следовательно, меньше тепловой ток. Относительно теплового тока остается заметить, что он является основной составляющей обратного тока у германиевых р-п переходов.

Другой составляющей обратного тока является ток термогенерации (I_тг), который обусловлен генерацией носителей заряда в i-области под действием тепла. Этот ток отличается от теплового только местом, где образуются подвижные носители заряда и изменением тока при увеличении температуры (возрастает в 3 раза на каждые 10 °C.). Величина тока термогенерации пропорциональна объему обедненного слоя, т. е. ширине р-п перехода.

В германиевых р-п переходах ток термогенерации пренебрежимо мал в сравнении с тепловым, а для переходов из кремния и арсенида галлия может стать заметной частью I₀ при высоких температурах.

Третьей составляющей обратного тока р-п перехода является ток утечки. Для р-п переходов, изготовленных из достаточно широкозонных полупроводников, поверхностные утечки могут явиться основной составляющей, определяющей величину тока I₀. Ток утечки обусловлен многими факторами: поверхностными энергетическими уровнями, молекулярными и ионными пленками, различными загрязнениями и т. д. При повышении напряжения ток утечки возрастает по линейному закону или еще более круто. Влияние же температуры на ток утечки выражено сравнительно слабо. Отметим, что характерной особенностью тока утечки является его временная нестабильность. Образование тока утечки, как правило, связано с несовершенством технологии изготовления. Примером р-п перехода, у которого ток утечки является основной составляющей обратного тока, является кремниевый переход, выполненный по сплавной технологии.

Четвертой составляющей обратного тока р-п перехода является канальный ток. Он является основной составляющей для кремниевых р-п переходов, выполненных по планарной технологии. Не вдаваясь здесь в особенности планарной технологии отметим, что при ее использовании поверхность кремниевых р-п переходов покрывается защитной пленкой SiO₂. Это покрытие, с одной стороны, практически устраняет ток поверхностной утечки, но, с другой стороны, порождает канальный ток. Канальный ток возникает за счет образования канала (очень тонкого слоя) n-типа в приповерхностной области р-типа, покрытой пленкой SiO₂. Канальный ток очень маленький: десятые доли или единицы наноампер.

Хотя на его величину и влияют многие факторы, все же можно считать, что он возрастает при уменьшении ширины запрещенной зоны полупроводника, из которого выполнен р-п переход. Так, обратный ток в германиевых р-п переходах обычно на три — четыре порядка выше, чем в кремниевых.

Обратный ток в диоде, обозначаемый I_обр, определяется как сумма токов:

I_обр=I₀+I_тг+I_у

Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает? 100…400Вольт, а кремниевых диодов? 1000…1500 В.

P-N переход в прямом направлении Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки. => Диод работает.

Этот ток называется прямым током. Он ограничивается техническими данными диода. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя.

Вольт-амперная характеристика диода.

ВАХ диода Из (1.10) следует, что при прямом смещении (U > 0) ток через р-п переход возрастает, а при обратном смещении (U < 0) становится малым, приближаясь к значениюI₀.

Теоретические ВАХ n-p-перехода и полупроводникового диода показаны на рис. 1.2 (кривая 1-ВАХ перехода, кривая 2 — ВАХ диода). Эти характеристики несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы r_б, которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков Ом. Падение напряжения на сопротивлении r_б становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов.

Формулу для определения r прямой ветви:

При I ›› I₀ получим окончательно:

rД = цТ / I.

Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением:

I = I0 (exp U / цТ — 1).

где I₀ — обратный ток. цТ=25−26мВ тепловой потенциал. мВ — мили вольт С учётом сопротивления:

I = I₀ехр[(U — Ir_б)/цт].

Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и становится более крутой. Это объясняется ростом I_{обри уменьшением rб, что, в свою очередь, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении на внешних выводах.}

Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН) г_T=?U/?T, показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1 °C при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до +60 °С г_T ? -2,3 мВ/°С.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до +150С.

Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет Uпр = 0,3…0,6 В, у кремниевых диодов? Uпр = 0,8…1,2 В.

Ёмкости р-n перехода Обычно выделяют две основные емкости р-п перехода: диффузионную и барьерную.

Изменение прямого напряжения на р-п переходе приводит к изменению концентрации неравновесных неосновных носителей в базе, т. е. к изменению заряда в ней Q_з. Изменение заряда, вызванное изменением напряжения, можно рассматривать как действие некоторой емкости. Эта емкость называется диффузионной, поскольку неосновные носители заряда попали в базу за счет диффузии из эмиттера.

На практике обычно используется дифференциальная диффузионная емкость С_д

С_д = d Q_з / dU = I ф / ц_т

Диффузионная емкость будет тем больше, чем больше ток через р-п переход и чем больше время жизни неосновных носителей в базе ф. Емкость С_д во многом определяет быстродействие элементов полупроводниковой электроники.

При обратном смещении инерционность р-п перехода характеризуется емкостью, которая называется барьерной (или зарядной). Барьерная емкость Q определяется изменением пространственного заряда в i-области под действием приложенного напряжения.

Ширина р-п перехода зависит от U. При изменении l меняется и число нескомпенсированных ионов в i-области, т. е. меняется ее заряд.

Величину барьерной емкости можно рассчитать по формуле:

Выпрямительные диоды. Выпрямительные диоды — самые распространенные полупроводниковые диоды, применяемые в устройствах, преобразующих переменный ток (промышленной частоты 50Гц) в постоянный. Такие диоды пропускают положительную часть волны, «отсекая» отрицательную, тем самым уменьшая частоту тока в 2 раза. (50 => 25, используется в трансформаторах).

Выпрямление диодом переменного напряжения Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода.

Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят их подбор) или последовательно с диодами включают уравнительные резисторы с сопротивлением в единицы Ом. Иногда включают дополнительные резисторы (рис. 3.4, в) с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением Rд, т. е. Rд rпр вд. Величина Rд составляет сотни Ом.

Последовательное соединение диодов применяют для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения.

Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами. Сопротивления Rш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов Rш rобр вд, чтобы ток, протекающий через резистор Rш, был на порядок больше обратного тока диодов.

Варикапы. Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний. Основные параметры варикапов:

номинальная емкость Св — емкость при заданном обратном напряжении (Св = 10…500 пФ (пикофарады));

коэффициент перекрытия по емкости.

;

(Кс = 5…20) — отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях.

Вольт-фарадная характеристика варикапа.

Импульсные диоды. Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах с временем переключения 1 мс и менее.

От выпрямительных диодов они отличаются малыми ёмкостями p-n-перехода (доли пикофарад). Уменьшение ёмкости достигается за счёт уменьшения площади p-n-перехода.

Основные параметры импульсных диодов:

Общая ёмкость диода С Максимальное импульсное прямое напряжение U пр max.

Максимально допустимый импульсный ток I пр max.

Время установления прямого напряжения диода t уст — интервал времени от момента подачи импульса на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на нём.

Время восстановления обратного сопротивления диода t вос полупроводниковый диод ток выпрямительный.

Высокочастотные диоды — Диоды, работающие в диапазоне до 600 МГц. Они имеют точечную структуру, которая обеспечивает небольшую величину емкости p-n перехода (не более 1 пФ, Площадь контакта — менее 50 мкм2), что позволяет эффективно использовать их на высоких частотах. Однако малая площадь контакта между частями полупроводника не позволяет рассеивать в области р-n перехода значительные мощности, поэтому высокочастотные диоды не используются в схемах, рассчитанных на большие напряжения и токи, и применяются, главным образом, в измерительной аппаратуре и низковольтных слаботочных выпрямителях, из-за куда меньших допустимых величин обратных напряжений.

Туннельные диоды. Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт — амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т. е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий р-nпереход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект).

Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода.

Стабилитроны. Стабилитрон — это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения. В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на р-nпереходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-nпереходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его условное графическое обозначение Стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах.

Стабилизация тем лучше, чем круче идет обратная ветвь ВАХ и, соответственно, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Стабилизирующие свойства параметрического стабилизатора на стабилитроне характеризуется коэффициентом стабилизации:

Чтобы не произошёл необратимый тепловой пробой стабилитрона, его ток I_{ст ограничивают с помощью ограничительного резистора Rогр :}

,

Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов:

Uст = Uст1 + Uст2 +…

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, т.к. из-за разброса характеристик и параметров из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет возникать только в одном, имеющем наименьшее стабилизирующее напряжение Uст, что вызовет перегрев стабилитрона.