Большая База Данных Рефератов - Полупроводниковые диоды - скачать рефераты, бесплатно рефераты

Полупроводниковые диоды

(1.10)

Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от - 1,5 мВ/°С в нормальном режиме до - 2 мВ/°С в режиме микротоков.

При определенном значении обратного напряжения Uобр = Uпроб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока Iобр, соответствующий электрическому пробою p-n перехода (отрезок АВ рисунка 1.5).

Рисунок 1.5. Вольтамперная характеристика диода (стабилитрона)

Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-п переходе, либо в результате разогрева перехода в связи с выделением на нем значительной мощности, превышающую возможности теплоотвода. Первый тип пробоя называется электрическим, второй - тепловым. Электрический пробой обратим, т.е. после уменьшения напряжения Uобр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Хотя, если обратный ток при электрическом пробое не ограничить, то он переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Тепловой пробой необратим, так как разрушает p-n переход.

Электрический пробой характерен для кремниевых диодов. В германиевых диодах при увеличении обратного напряжения тепловой пробой p-n перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного нарастания тока Iобр.

Электрический пробой бывает двух видов. Первый из них возникает в узких переходах, в которых под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера в области р-n перехода (зинеровский, туннельный пробой). Второй - развивается в результате ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой). Сущность этого явления заключается в том, что двигаясь с большей скоростью на участке р-n перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате такой ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые, в свою очередь, разгоняются полем и создают всевозрастающее количество носителей тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через р-n переход.

Тепловой пробой р-n перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока. Увеличение тока, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно.

Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения. Возможность теплового пробоя диода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения Uобр max и температурного диапазона работы. Напряжение пробоя зависит от типа диода и температуры окружающей среды.

Имеются некоторые отличия и прямой ветви ВАХ реального диода от ВАХ идеального p-n перехода. Нарастание падения напряжения диода при больших токах отступает от экспоненциального и становится более линейным. Это объясняется тем, что становится заметным падение напряжения на омическом объемном сопротивлении полупроводника, из которого сформирован диод.

Значительные различия в обратных токах диодов на основе германия, кремния и соединений галлия (основного полупроводникового материала свето и некоторых сверхвысокочастотных диодов) приводит к существенным различиям в их прямой ветви ВАХ (рисунок 1.6). Прямая ветвь ВАХ германиевых диодов начинается практически из начала координат, кремниевых диодов - расположена значительно правее, и еще больший сдвиг у диодов на основе соединений галлия. Заметные токи у маломощных кремниевых диодов начинаются при прямых напряжениях 0,2...0,5 В, светодиодов - 1,2 … 1,6 В. Можно считать, что у них имеется некоторое пороговое напряжение Uпор (указанных величин), ниже которого прямой ток равен нулю, точнее пренебрежимо мал.

Рисунок 1.6. Прямые ветви ВАХ диодов на основе разных полупроводниковых материалов

При анализе схем с диодами, несмотря на достаточную простоту ВАХ диода ее часто еще дополнительно упрощают (идеализируют). Используемые варианты упрощений представлены на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7. Идеализированные ВАХ диода

Наиболее широко используется первая идеализация: обратный ток и падение напряжения на прямосмещенном диоде равны нулю (рисунок 1.7, а). Погрешности идеализации максимальны: для германиевых диодов при обратных напряжениях; для кремниевых - при прямых. Желание учесть пороговое напряжение, увеличение падения при увеличении прямого тока, наличие обратного тока приводят к более сложным видам идеализированных ВАХ (рисунки 1.7, б, в, г).

Частотные свойства диода во многом определяются процессами перезаряда емкостей. Диффузионная емкость может иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад, барьерная - обычно меньшая. Поэтому при прямом напряжений емкость р-п перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении - барьерной емкостью. Преобразования сигнала с использованием диодов практически происходят при положительных смещающих напряжениях. Поэтому, с точки зрения повышения быстродействия, диод должен изготовляться так, чтобы по возможности ускорить процессы изменения объемного заряда неосновных носителей или вообще исключить их. Последнего можно добиться при использовании так называемого выпрямительного перехода Шотки. Этот переход образован контактом металл - полупроводник. Соответствующим выбором материалов можно добиться того, что высота потенциального барьера для электронов и дырок в месте контакта будет различной. В результате этого (при прямом смещении) прямой ток диода образуется только за счет движения основных носителей заряда. Так, например, при контакте n полупроводника с металлом ток образуется только за счет движения электронов из полупроводника в металл. Таким образом, в полупроводнике не создается объемный заряд неосновных для него носителей, что соответствует отсутствию диффузной емкости. Отсюда вытекает, что диоды, выполненные на основе перехода Шотки (диоды Шотки), обладают большим быстродействием, чем диоды с p-n переходом.

Кроме указанного, диоды Шотки отличаются от диодов с p-n переходом меньшим прямым падением напряжения из-за меньшей высоты потенциального барьера для основных носителей и большей допустимой плотностью тока, что связано с хорошим теплоотводом. Эти преимущества делают предпочтительным использование диодов Шотки при изготовлении мощных высокочастотных выпрямительных диодов.

Следует также отметить, что прямая ветвь вольтамперной характеристики диода Шотки из-за меньшего сопротивления прохождению тока ближе к идеальной.

Классификация диодов представлена в таблице 1.2, а условные обозначения - на рисунке 1.8. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые на практике.

Рисунок 1.8. Условные графические обозначения полупроводниковых приборов: 1 - выпрямительный и импульсный диод; 2 - стабилитрон и стабистор; 3 - симметричный стабилитрон; 4 - варикап; 5 - туннельный диод; 6 - излучающий диод; 7 - фотодиод: 8 - биполярный транзистор p-n р-типа; 9 - биполярный транзистор n p-n типа.

Таблица 1.2

Признак классификации	Наименование диода
Площадь перехода	Плоскостной Точечный
Полупроводниковый материал	Германиевый Кремниевый Арсенид галлиевый
Назначение	Выпрямительный Импульсный Сверхвысокочастотный Стабилитрон (стабистор) Варикап и т.д.
Принцип действия	Туннельный Диод Шотки Излучающий Фотодиод и др.

Выпрямительный диод использует вентильные свойства p-n перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных диодов используют в основном германий и кремний.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном - разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения за счет падения напряжения Uпр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения. Значение Uпр открытого диода не превышает для германиевых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

IПР СР MAX - максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;

Iобр. ср - средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном

Uобр доп - допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;

fmax - максимально допустимая частота входного напряжения;

Uпр - прямое падение напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямительные диоды классифицируют также по мощности и частоте.

По мощности: маломощные (Iпр ср max 0,3 А); средней мощности (0,3 А< Iпр ср max 10 А); большой мощности (Iпр ср max > 10 А).

По частоте: низкочастотные (fmax < 103 Гц); высокочастотные (fmax > 103 Гц).

В качестве выпрямительных применяются также диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл - полупроводник (диоды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с p-n переходом, напряжение Uпр и более высокие частотные характеристики. Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц - 100 кГц.

Импульсный диод - полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий (как и выпрямительный диод) при своей работе прямую и обратную ветви ВАХ при сравнительно больших токах нагрузки.

Длительность переходных процессов в диоде обусловлена перезарядом емкостей Сдиф и Сбар. Так как импульсные диоды обычно работают при сравнительно больших прямых токах, то процессы накопления и рассасывания заряда являются превалирующими. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром - временем восстановления фвос его обратного сопротивления. Время восстановления обратного сопротивления tвос - интервал времени от момента переключения до момента, когда обратный ток уменьшается до заданного уровня отсчета Iотс

В качестве импульсных широкое применение находят диоды Шотки.

Сверхвысокочастотный диод (СВЧ диод) - полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала (до десятков и сотен гигагерц). Сверхвысокочастотные диоды широко применяются в устройствах генерации и усиления электромагнитных колебаний СВЧ диапазона, умножения частоты, модуляции, регулирования и ограничения сигналов и т.п.

Типичными представителями данной группы диодов являются смесительные (получение сигнала суммы или разности двух частот), детекторные (выделение постоянной составляющей СВЧ сигнала) и переключательные (управление уровнем мощности сверхвысокочастотного сигнала) диоды. Условное графическое обозначение импульсных и СВЧ диодов аналогично обозначению выпрямительных диодов (рис.2.6,1).

Стабилитрон применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Как видно из рисунка 1.5, участок ВАХ диода, соответствующий электрическому пробою, характеризуется значительным изменением тока при практически незначительном изменении падения напряжения на диоде.

Этот участок используют для создания специализированных диодов - стабилитронов, которые, в свою очередь, являются основой так называемых параметрических стабилизаторах напряжения. Стабилитроны изготовляют, как правило, из кремния. При использовании высоколегированного кремния (высокая концентрация примесей, а, следовательно, и свободных носителей заряда) напряжение стабилизации понижается, а с уменьшением степени легирования кремния - повышается.

Напряжение стабилизации лежит в диапазоне от 3 до 180 В. Для стабилизации более низких напряжений используют прямую ветвь ВАХ, которая также характеризуется крутым нарастанием тока. Соединяя последовательно несколько диодов, удается перекрыть диапазон напряжений ниже 3 В. Диоды, применяемые для этой цели, называют стабисторами. Отличие стабилитрона от стабистора заключается в используемой для стабилизации напряжения ветви ВАХ. Поэтому будет существенные различия, если на стабилизирующий диод подать напряжение противоположной полярности по сравнению с рабочей:

через стабилитрон (если он не двухсторонний) потечет большой ток, величина которого будет ограничена внешними сопротивлениями;

в случаи использования стабистора ток будет определяться обратным током р-п перехода.

К основным параметрам стабилитрона относятся:

Uст- номинальное напряжение стабилизации при заданном токе;

фд - дифференциальное сопротивление при заданном токе;

Iст min - минимальный ток стабилизации, наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;

- дифференциальное сопротивление, равное отношению приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его приращению тока стабилизации;

- температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации, где Uст - отклонение напряжения Uст от номинального значения Uст ном при изменении температуры в интервале Т.

Варикап - полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости Сзар от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Рисунок 1.9. Вольт-фарадная характеристика варикапа

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рисунок 1.9) - зависимость емкости варикапа Св от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости Св может изменяться от единиц до сотен пикофарад.

Основными параметрами варикапа являются:

Св - емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;

КС - коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости CB = f(UОБP) и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (КС = 2... 20);

ТКЕВ = СВ/(СВ T), - зависимость параметров варикапа от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости где Св/Св - относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры Т окружающей среды.

Условное графическое обозначение варикапа приведено на рисунке 1.8,4.

Туннельный диод - занимает особое место среди полупроводниковых диодов из-за свойственной ему внутренней положительной обратной связи по напряжению и хороших динамических свойств. Его ВАХ имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления (участок CD на рисунке 1.10). Это объясняется тем, что при очень малых толщинах запорного слоя (10...10 нм и меньше) наблюдается туннельный переход зарядов из валентной зоны в зону проводимости. Туннельный диод, благодаря своей ВАХ, нашел широкое применение в качестве ключевого тензодатчика. Условное графическое обозначение туннельного диода приведено на рисунке 1.8,5.

Рисунок 1.10. ВАХ туннельного диода

Излучающий диод - полупроводниковый диод, излучающий из области p-n перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

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 ИК-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 соединения галлия и 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.

Исходными материалами для изготовления ИК-диодов являются арсенид и фосфид галлия. Полная, мощность излучения этой группы диодов лежит в пределах от единиц до сотен милливатт при напряжении на диоде 1,2...3 В и прямом токе от десятков до сотен миллиампер.

Условное графическое обозначение излучающих диодов показано на рисунке 1.8,6.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды - в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах.

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

Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический ток. Условное графическое обозначение фотодиода приведено на рисунке 1.8,7.

Маркировка полупроводниковых диодов, разработанных после 1964 г., предусматривает шесть символов. Первый символ - буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов специального назначения), указывающая исходный полупроводник: Г (1) - германий, K (2) -кремний, А (3) -GaAS.

Второй символ - буква, обозначающая подкласс диода: Д - выпрямительные, высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды: В - варикапы; С - стабилитроны и стабисторы; Л - светодиоды.

Третий символ - цифра, оказывающая назначение диода (у стабилитронов - мощность рассеяния) например, 3 - переключательный, 4 - универсальный и т.д.

Четвертый и пятый символы - двузначное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов - номинальное напряжение стабилизации).

Шестой символ - буква, обозначающая параметрическую группу прибора (у стабилитронов - последовательность разработки).

Примеры маркировки диодов:

ГД412А - германиевый (Г), диод (Д), универсальный (4), номер разработки 12, группа А;

КС196В - кремниевый (К), стабилитрон (С), мощность рассеяния не более 0,3 Вт (1), номинальное напряжение стабилизации 9,6 В (96), третья разработка (В).

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

Электрический и тепловой пробои р-n перехода во многих случаях происходят одновременно. При чрезмерном разогреве перехода, когда происходит изменение структуры кристалла, переход необратимо выходит из строя. Если же при возникновения пробоя ток через р-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющаяся на переходе, невелика, то пробой обратим.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжений емкость р-п перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении - барьерной емкостью.

Страницы: 1, 2, 3

Меню

Полупроводниковые диоды