Глава 2
Полупроводниковые диоды
|
Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами. Большинство диодов изготовлены на основе несимметричного p-n-перехода. При этом одна из областей диода, обычно (р+) высоколегированна и называется эмиттер, другая слаболегированная область (n) получила название - база. Р-n - переход размещается в базе т.к она слаболегирована. Структура, условное обозначение и название выводов показаны на рис. 2.1.Между каждой внешней областью полупроводника и ее выводом имеется омический контакт, который на рис. 2.1 показан жирной чертой.
В зависимости от технологии изготовления различают: точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др.
По функциональному назначению диоды делятся на: выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, варикапы, тунельные и обращенные, а также СВЧ-диоды и др.
Вольт-амперная характеристика диода
В реальном диоде прямая (кривая 1, рис.2.2) и обратная ветви вольт амперной характеристики (ВАХ) отличаются от ВАХ p-n-перехода.
При прямом смещении необходимо учитывать объёмное сопротивление областей базы rб и эмиттера rэ диода (рис.2.3.), обычно rб>>rэ. Падение напряжения на обьемном сопротивлении от тока диода, становятся существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате напряжение непосредственно на р-n-переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Это приводит к смещению прямой ветви ВАХ вправо (кривая 2, рис.2.2) и почти линейной зависимости от приложенного напряжения. ВАХ диода с учетом объемного сопротивления определяется выражением
,
где Uпр — напряжение, приложенное к выводам; r — суммарное сопротивление базы и электродов диода, обычно r=rб.
Обратная ветвь диода зависит от величины обратного напряжения, т.е. наблюдается рост обратного тока. Это объясняется тем, что обратный ток диода состоит из трех составляющих:
Iобр =I0 + Iтг + Iут
где I0 – тепловой ток перехода; Iтг – ток термогенерации. Он возрастает с увеличением обратного напряжения. Это связано с тем, что p-n перехода расширяется, а следовательно увеличивается количество неосновных носителей, образующихся в нем за счёт термогенерации. Ток термогенерации дает основной вклад в обратный ток диода. Он на 4-5 порядка больше тока I0.
Iут – ток утечки. Он связан конечной величиной проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. В современных диодах он всегда меньше термотока.
Эквивалентная схема диода
Это схема, состоит из электрических элементов, которые учитывают физические процессы, происходящие в p-n переходе, и влияние элементов конструкции на электрические свойства.
Эквивалентная схема замещения p-n переходеа при малых сигналах, когда можно не учитывать нелинейных свойств диода приведена на рис.2.4.
Здесь Сд — общая емкость диода, зависящая от режима; Rп = Rдиф — дифференциальное сопротивление перехода, значение которого определяют с помощью статической ВАХ диода в заданной рабочей точки (Rдиф = DU/DI|U=const); rб — распределенное электрическое сопротивление базы диода, его электродов и выводов, Rут – сопротивление утечки. Иногда схему замещения дополняют емкостью между выводами диода СВ, емкостями Свх и Свых (показаны пунктиром) и индуктивностью выводов LВ.
Эквивалентная схема при больших сигналах аналогична предыдущей (рис.2.5), однако в ней учитываются нелинейные свойства р-n- перехода путем замены дифференциального сопротивления Rдиф на зависимый источник тока I=I0(eU/jT – 1).