Диоды с накоплением заряда.

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Современная элементная база силовой электроники»

(наименование дисциплины)

 

на тему: «Полупроводниковые диоды специального назначения»

 

Студента 6 курса КЭС-21мз группы

Направление 11.04.03 «Конструирование и технология электронных средств»

Магистерская программа Компьютерное

проектирование систем силовой электроники

Ревякина Алексея Владимировича

(ФИО студента)

 

Проверил: ст. преп. каф. РФ и ЭЛ.

Литвинов Александр Иванович

 

(должность, уч. звание, научная степень, ФИО)

 

Национальная шкала ____________________

Кол-во баллов: ______Оценка: ECTS_______

 

 

г. Алчевск, 2021

 

СОДЕРЖАНИЕ

Современные полупроводниковые диоды

1.1 Лавинные диоды----------------------------------------------------------------------------------------- 3
1.2 Диоды с накоплением заряда.---------------------------------------------------------------------- 4
1.3 Генераторы шума--------------------------------------------------------------------------------------- 5
1.4 СВЧ-диоды.------------------------------------------------------------------------------------------------ 8
1.5 Туннельные диоды------------------------------------------------------------------------------------ 10
1.6 Обращённые диоды -----------------------------------------------------------------------------------13
1.7 Варисторы------------------------------------------------------------------------------------------------ 14
1.8Варакторы (варикап, умножительный диод, параметрический диод)---------------- 17

Список литературы-----------------------------------------------------------------------------------------------------19

 

Лавинные диоды.

Лави́нныйдио́д — электронный прибор, полупроводниковый диод, разновидность стабилитрона, обычно изготавливаемый из кремния, работа которого основана на обратимом лавинном пробоеp-n перехода при обратном включении, то есть при подаче на слой полупроводника с p-типом проводимости (анода) отрицательного относительно n-слоя (катода) напряжения.

Лавинный пробой возникает при напряжённости электрического поля в p-n переходе достаточном для ударной ионизации, при которой носители заряда, ускоренные полем в переходе, генерируют пары электрон-дырка. При увеличении поля количество порождённых пар нарастает, что вызывает нарастание тока, поэтому напряжение на диоде остаётся практически постоянным.

Вообще в стабилитронах при обратном смещении перехода имеются два механизма обратимых пробоев: туннельный (зенеровский) и лавинный, но их вклад зависит от удельного сопротивления базы (при низких удельных сопротивлениях пробой носит туннельный характер, а при высоких — лавинный), которая в свою очередь зависит от материала полупроводника и типа проводимости базы (так, например, для электронного германия равенство лавинной и туннельной составляющей наблюдается при 1 Ом см)^[1], при этом напряжение пробоя зависит от степени легирования полупроводника, чем слабее легирование, тем выше напряжение начала пробоя (то есть стабилизации, для стабилитронов).

Для лавинного пробоя характерно увеличение напряжения стабилизации при повышении температуры, для пробоя по зенеровскому механизму — наоборот. При напряжении начала пробоя ниже 5,1 В преобладает пробой по зенеровскому типу, выше — преобладает лавинный пробой, поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации 5,1 В нет температурного дрейфа напряжения стабилизации, так как температурные дрейфы пробоя по этим двум механизмам взаимно компенсируют друг друга.

Таким образом, любые стабилитроны с напряжением стабилизации более 5,1 В можно считать лавинными диодами.

Применяется в электронике в качестве стабилитронов. Также применяются для защиты электрических цепей от перенапряжений. Защитные лавинные диоды конструируют так, чтобы исключить повышенную концентрацию (шнурование) тока в одной или нескольких точках p-n перехода, приводящее к локальному перегреву полупроводниковой структуры, для избежания необратимого разрушения диода. Диоды, предназначенные для защиты от перенапряжения, часто называют супрессорами.

Лавинный механизм обратного пробоя используется также в лавинных фотодиодах и диодных генераторах шума.

При медленном увеличении обратного напряжения заметно превысить напряжение стабилизации нереально. Но при высокой скорости нарастания (dU/dt> 10¹² Вольт/с) оказывается возможным приложение к p⁺-n-n⁺-структуре напряжения в полтора-два раза выше напряжения стационарного пробоя, после чего её сопротивление резко падает за время порядка 100 пикосекунд или менее. Такое сверхбыстрое изменение состояния от непроводящего к проводящему обеспечивается за счет формирования и распространения волны ударной ионизации. На основе данного эффекта разработан прибор, выполняемый чаще всего на кремнии, — диодный лавинный обостритель импульсов (англ. silicon avalanche sharpener, SAS diode).

 

Диоды с накоплением заряда.

Диоды с накоплением заряда и диоды Шотки

Диоды с накоплением заряда (ДНЗ) используются для формирования коротких прямоугольных импульсов, возникающих при переключении диода с прямого направления на обратное в результате рассасывания накопленного в базе неравновесного заряда. Это достигается за счет неравномерного легирования области диода (рис. 2.20). Из-за неравномерного распределения примеси в базе диода возникает тормозящее электрическое поле для инжектированных носителей, направленное в сторону перехода. Инжектированные в базу носители прижимаются внутренним полем к p–n переходу, и в базе происходит накопление заряда. При изменении напряжения на диоде с прямого на обратное сопротивление диода остается малым, и накопленные носители экстрагируют в эмиттер. Обратный ток быстро спадает. Внутреннее поле базы ускоряет процесс экстракции носителей через переход, что сокращает время спада обратного тока.

Для повышения быстродействия импульсных диодов широко используются переходы, выполненные на основе контакта металл–полупроводник путем нанесения металла на кремниевую пластинку n–типа. Электроны из полупроводника n–типа переходят в металл, образуя на их границе отрицательный заряд в металле и положительный в полупроводнике. Возникающее при этом электрическое поле препятствует дальнейшему переходу электронов, и в области перехода формируется обедненная область. При подаче на металлический контакт положительного напряжения, приток избыточных электронов восстанавливается, и через переход протекает прямой ток. При подаче отрицательного потенциала на область металла увеличивается потенциальный барьер перехода металл–полупроводник, ток через диод не протекает. Такие диоды называют диодами Шотки или поверхностно-барьерными диодами (ибо электрическое поле образует барьер на поверхности перехода), или диодами горячих носителей (электроны, инжектируемые из металла в полупроводник, имеют высокий энергетический потенциал).

Диоды Шотки обладают следующими преимуществами по сравнению с кремниевыми p–n переходами:

1. Для получения того же тока требуется более низкое прямое напряжение.

2. Электропроводность создается только основными носителями (электронами). Отсутствует накопление неосновных носителей, и время восстановления диода при переключении напряжения с прямого на обратное очень мало. Быстродействие определяется скоростью перезарядки барьерной емкости.

За счет низкого прямого напряжения и высокого быстродействия диоды Шотки используются в выпрямительных и переключающих цепях, а также для увеличения быстродействия транзисторов в цифровых схемах, таких как ТТЛ–логика.

К недостаткам диодов Шотки относятся:

1. Ток утечки немного больше, чем у обычных диодов, использующих p–n переход.

2. Максимальное обратное напряжение ниже, чем у обычных кремниевых диодов.

Вольт–амперная характеристика диодов Шотки такая же, как и у обычных диодов, а обратные токи составляют сотни пА – десятки нА.

Генераторы шума.

Генератор шума - Noisegenerator

Источник шума на основе стабилитрона

Генератор шума - это схема, которая производит электрические помехи (т.е. случайный сигнал). Генераторы шума используются для тестирования сигналов для измерения коэффициента шума, частотной характеристики и других параметров. Генераторы шума также используются для генерации случайных чисел.

 

Теория

 

Для генерации шума используется несколько схем. Например, резисторы с регулируемой температурой, вакуумные диоды с ограничением температуры, стабилитроны и газоразрядные трубки. Источник, который можно включать и выключать ("закрытый"), полезен для некоторых методов испытаний.

Генераторы шума обычно полагаются на основной шумовой процесс, такой как тепловой шум или дробовой шум.

Генератор теплового шума

Тепловой шум может быть фундаментальным стандартом.. С резистором при определенной температуре связан тепловой шум. Генератор шума может иметь два резистора с разной температурой и переключаться между ними. В результате выходная мощность мала. (Для резистора 1 кОм при комнатной температуре и полосе пропускания 10 кГц среднеквадратичное напряжение шума составляет 400 нВ.)

Генератор дробового шума

Если электроны проходят через барьер, они имеют дискретный время прибытия. Эти дискретные поступления демонстрируют дробовой шум. Уровень выходного шума генератора дробового шума легко устанавливается постоянным током смещения. Обычно используется барьер в диоде.

В разных схемах генератора шума используются разные методы установки постоянного тока смещения.

Вакуумный диод

Одним из распространенных источников шума был термически ограниченный (насыщенное излучение) ламповый диод с горячим катодом. Эти источники могли служить генераторами белого шума от нескольких килогерц до УВЧ и были доступны в обычных стеклянных оболочках радиоламп. Мерцание (1 / f) шум ограниченное применение на низких частотах; приложение с ограниченным временем прохождения электронов на более высоких частотах. Базовая конструкция представляла собой диодную вакуумную лампу с нагреваемой нитью накала. Температура катода (нити) задает ток анода (пластины), который определяет дробовой шум; см. уравнение Ричардсона. Напряжение на аноде устанавливается достаточно большим, чтобы собрать все электроны, испускаемые нитью. Если напряжение на пластине было слишком низким, то вокруг нити накала возник бы объемный заряд, который повлиял бы на выходной шум. Для откалиброванного генератора необходимо следить за тем, чтобы дробовой шум преобладал над тепловым шумом сопротивления пластины трубки и других элементов схемы.

 

Газоразрядные трубки

Длинные, тонкие, с горячим катодом газоразрядные стеклянные трубки, снабженные обычным байонетным креплением для ламп для нить накала и анод верхняя крышка использовались для частот СВЧ и диагональной вставки в волновод. Они были заполнены чистым инертным газом, таким как неон, потому что смеси сделали выходную температуру зависимой. Их напряжение горения было ниже 200 В, но они нуждались в оптической затравке (предварительной ионизации) 2-ваттной лампой накаливания перед зажиганием от скачка анодного напряжения в диапазоне 5 кВ.

Один миниатюрный тиратрон нашел дополнительное применение в качестве источника шума при работе в качестве диода (сетка, привязанная к катоду) в поперечном магнитном поле.

С прямым смещением полупроводниковый диод

Другая возможность - использовать ток коллектора в транзисторе.

Обратно-смещенный полупроводниковый диод

Обратно-смещенный диод при пробое также может использоваться в качестве источников дробового шума. Диоды регулятора напряжения распространены, но есть два разных механизма пробоя, и они имеют разные шумовые характеристики. Этими механизмами являются эффект Зенера и лавинный пробой.

Стабилитрон

диоды с обратным смещением и переходы база-эмиттер биполярный транзистор, которые пробиваются ниже примерно 7 вольт в первую очередь проявляют эффект Зенера; пробой происходит из-за внутренней автоэлектронной эмиссии. Переходы тонкие, а электрическое поле велико. Пробой стабилитрона - это дробовой шум. Угол мерцания (1 / f) шума может быть ниже 10 Гц.

Шум, создаваемый стабилитронами, представляет собой простой дробовой шум.

Лавинный диод

Для пробивных напряжений более 7 вольт ширина полупроводникового перехода больше, и механизм первичного пробоя является лавинообразным. Вывод шума более сложный. Из-за лавинного умножения возникает избыточный шум (то есть шум сверх простого дробового шума).

Для генераторов шума с большей выходной мощностью необходимо усиление. Для генераторов широкополосного шума такое усиление может быть труднодостижимым. Один метод использует лавинное умножение в пределах того же барьера, который генерирует шум. В лавине один носитель сталкивается с другими атомами и выбивает новые носители. В результате для каждого носителя, который стартует через барьер, синхронно прибывают несколько носителей. В результате получается широкополосный источник высокой мощности. Обычные диоды можно использовать при пробое.

 

Лавинный пробой также имеет многоступенчатый шум. Выходная мощность шума случайным образом переключается между несколькими уровнями выхода. Многоступенчатый шум выглядит как мерцающий (1 / f) шум. Эффект зависит от процесса, но его можно минимизировать. Диоды также могут быть выбраны для низкого многоуровневого шума.

Коммерческим примером генератора лавинного диодного шума является Agilent 346C, который охватывает диапазон от 10 МГц до 26,5 ГГц.

СВЧ-диоды.

Диоды СВЧ-диапазона длин волн появились в период разви­тия радиолокационной техники и освоения диапазона коротких волн. К диапазону СВЧ обычно относят область частот от 300 МГц до 300 ГГц, т.е. дециметровые, сантиметровые и миллиметровые длины волн.

Современные СВЧ-диоды изготавливают на основе структур с р-п -переходом, с переходом металл-полупроводник (диоды Шотки), со структурой типа р-i-п. Выпрямляющий переход мо­жет быть как точечным, так и плоскостным, полученным методом диффузии, эпитаксии, ионного легирования или микросплавления. Широкое применение в технике высоких и сверхвысоких частот находят диоды Шотки, выпрямительные свойства которых опре­деляются переходом металл – полупроводник.

Особен­ностями диодов Шотки является следующее:

· ток переносится основны­ми носителями заряда, и отсутствует инжекция неосновных носи­телей заряда;

· отсутствует диффузионная емкость, связанная с процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда, что существенно повышает быстродействие диодов при переключении тока;

· прямое падение напряжения меньше, чем в обычных диодах с р-п -переходом.

Типичными для диодов Шотки являются прямые напряжения 0,4 – 0,5 В, что примерно на 0,2 В меньше, чем у кремниевых р-п -переходов. Диоды Шотки обла­дают почти идеальной прямой ветвью ВАХ, которая соответствует выражению (1.15) в очень широком диапазоне токов. Об­ратные токи диодов Шотки близки к реальным обратным токам кремниевых р-п -переходов и определяются термогенерацией но­сителей заряда в запирающем слое.

Для получения качественных барьеров Шотки используется вакуумное напыление металлов (молибдена, золота, алюминия и др.) на тщательно очищенную по­верхность высокоомного кремния. Перечисленные преимущества диодов Шотки делают их весьма перспективными для применения в импульсных устройствах и устройствах СВЧ.

Статические характеристики СВЧ-диодов практически не от­личаются от характеристик обычных диодов. Для обратной ветви характерно низкое напряжение пробоя.

По назначению и области применения СВЧ-диоды можно раз­делить на следующие типы: детекторные, переключательные, сме­сительные, умножительные, модуляторные, ограничительные и ре­гулируемые резистивные.

Детекторные СВЧ-диоды предназначены для детектирования сигнала, т.е. выпрямления радиоимпульсов СВЧ колебаний. По­лезный эффект детектирования определяется чувствительностью по току или напряжению.

Чувствительность по току – это отно­шение выпрямленного тока короткого замыкания к поданной на диод СВЧ мощности.

Чувствительность по напряжению – отно­шение приращения напряжения на выходе диода к вызвавшей это приращение мощности СВЧ-сигнала, подводимой ко входу диод­ной камеры с детекторным диодом в рабочем режиме.

Переключательные диоды, предназначаются для применения в устройствах управления уровнем СВЧ-мощности. Наибольшее распространение получили переключательные диоды с плоскост­ным р-п -переходом, полученным диффузией. Разновидностью переключательных дио­дов являются ограничительные полупроводниковые диоды с ла­винным пробоем, предназначенные для ограничения импульсов напряжения, в которых используется зависимость сопротивления переменному току диода от СВЧ-мощности. Переключательные диоды с р-i-n -структурой называют регулируемыми резистивными диодами. Их изготавливают из кремния. Малые емкость и индуктивность р-i-n -структуры при таком включении обеспечи­вают широкую полосу рабочих частот.

Скорость переключения СВЧ-каналов с помощью переключа­тельного диода определяется временем выключения диода, т.е. вре­менем, за которое напряжение на диоде при переключении из от­крытого состояния в закрытое нарастает от 0,2 до 0,8 максималь­ного напряжения. Время выключения определяется процессами накопления и рассасывания носителей заряда.

Смесительным называют полупроводниковый диод, предназна­ченный для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты. Это преобразование используют в особо чувствительных радиолокационных приемниках, где высокочастот­ный сигнал и напряжение гетеродина с помощью смесительного диода преобразуют до сигнал
а более низкой, так называемой промежуточной частоты, что облегчает задачу детектирования огибающей сигнала.

Основными параметрами смесительных диодов являются:

· по­тери преобразования (L);

· коэффициент шума ();

· выпрямленный ток () при заданном уровне мощности.

Потери преобразования, выраженные в децибелах, равны:

,

где – мощность СВЧ-сигнала, подаваемого на смеситель; – мощность сигна­ла промежуточной частоты.

Значение выпрямленного тока определяет выпрямляющие свой­ства СВЧ-диода на рабочей частоте и характеризует потери пре­образования. Чем больше , тем меньше потери преобразо­вания.

Умножительные диоды предназначены для умножения часто­ты, а модуляторные – для модуляции амплитуды переменного тока.

Отличительной особенностью СВЧ-диодов является их кон­структивное оформление. Корпус диода СВЧ-диапазона проекти­руется таким образом, чтобы он имел минимальные собственную емкость и индуктивность, обеспечивал надежное крепление прибо­ра (рис. 3.6).

Корпус патронного типа, металлокерамический (рис. 3.6, а) или металлостеклянный, используется в длинноволновом участке СВЧ-диапазона. Основными узлами этой конструкции являются керамическая втулка с резьбой 3 и соединяемые с ней резьбовая втулка 1 и иглодержатель 6. Контактная пружинка 5 с заостренным концом изготовлена из вольфрамовой проволоки. Полупроводниковый кристалл 4 напаян на кристаллодержатель 2.

В коротковолновой части СВЧ-диапазона используют другие конструкции. Для конструкции коаксиального типа харак­терно отсутствие выступающих деталей корпуса. Для сборки и настройки прибора в баллон ввинчивается резьбовой кристаллодержатель с полупроводнико­вым кристаллом. В конструкции волноводного типа кристалл по­лупроводника и контактную пружину монтируют непосредственно в отрезке волновода.

Туннельные диоды.

Туннельные диоды – это полупроводниковые приборы на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви вольт–амперной характеристики области с отрицательным дифференциальным сопротивлением (характеристика N-образного типа). Они используются для усиления, генерирования и переключения сигналов, и эта многофункциональность прибора объясняется наличием на ВАХ участка с отрицательным сопротивлением.

Для изготовления туннельных диодов используется полупроводниковый материал с очень большой концентрацией примесей () и следствием этого является:

1. Малая толщина перехода (около 0,01 мкм), что на два порядка меньше, чем у обычных диодов.

2. Расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в n–области и к валентной зоне в p–области.

3. Уровень Ферми располагается у электронного полупроводника в зоне проводимости, а у дырочного – в валентной зоне.

Для простоты рассуждений обычно считают, что все разрешенные уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты электронами, а расположенные выше него – свободны. На рис. 2.21 представлены вольт–амперная характеристика, энергетические диаграммы и условное обозначение туннельного диода.

В тонких p–n переходах вследствие большей напряженности электрического поля увеличивается вероятность туннельного прохождения электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. В диоде при отсутствии внешнего напряжения происходит туннелирование электронов из n–области в p–область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю (рис. 2.21,а).

При небольшом прямом напряжении происходит смещение энергетических зон, так что часть энергетических уровней, занятых электронами проводимости n–области, начинает располагаться напротив свободных уровней p–области. Это приводит к туннельному переносу электронов из n–области в p–область и протеканию прямого туннельного тока (рис. 2.21,б).

С увеличением прямого напряжения туннельный ток достигает максимального значения, когда все заполненные энергетические уровни зоны проводимости n–области располагаются напротив свободных уровней p–области (рис. 2.21,в).

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к тому, что часть заполненных энергетических уровней n–области начинает располагаться против запрещенной зоны p–области, и туннельный ток убывает (рис. 2.21,г).

 

Когда зона проводимости n–области и валентная зона p–области перестанут перекрываться, туннельный ток прекращается (рис. 2.21,д).

Наряду с туннельным переходом электронов в p–n переходе туннельного диода течет и обычный диффузионный ток, связанный с преодолением потенциального барьера основными носителями (показан штрихпунктирной линией). Таким образом ток туннельного диода имеет две составляющие: туннельную и диффузионную. При напряжениях на диоде, когда туннельная составляющая тока не протекает, туннельный диод представляет собой обычный диод, прямой ток которого определяется током диффузии (рис. 2.21,ж).

При обратном напряжении энергетические уровни p–области смещаются вверх, и верхние уровни валентной зоны оказываются расположенными напротив разрешенных незаполненных уровней зоны проводимости n–области (рис. 2.21,е). При этом электроны из валентной зоны p–области туннелируют в зону проводимости n–области. Обратный ток диода растет с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению.

Туннельный диод может быть представлен эквивалентной схемой (рис. 2.22), где – емкость диода; – индуктивность выводов; – омическое сопротивление потерь; – сопротивление перехода.

Обращённые диоды.

Это диод на основе полупроводника с критической концентрацией примеси, в котором проводимость при обратном включении вследствие туннельного эффекта больше, чем при прямом напряжении. При концентрации примесей в p- n- областях меньших, чем в туннельных диодах, но больших, чем в обычных можно получить обращенный диод.

ВАХ обращенного диода

Уровень Ферми в ОД расположен на потолке валентной зоны p-полупроводника и на дне запрещенной зоны n-полупроводника.

При обратном напряжении в десятки мВ происходит резкое увеличение тока из-за туннелирования электронов из валентной зоны области p в запрещенную зону области n. При прямом напряжении прямой ток образован только в результате инжекции носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода. Заметная инжекция наблюдается при прямом напряжении в несколько десятых вольта.

Обращенные диоды обладают выпрямительными свойствами, но пропускное напряжение соответствует обратному включению, а запирающее – прямому включению.

Из принципа работы обращенных диодов ясно:

1 Способны работать на очень малых сигналах.

2 Должны обладать хорошими частотными характеристиками (т.к. туннелирование – процесс малоинерционный, а эффекта накопления неосновных носителей практически нет, поэтому обращенные диоды используются на СВЧ)

3 Малочувствительны к воздействиям проникающей радиации (из-за относительно большой концентрации примесей, прилегающих к p-n-переходу областей).

Варисторы.

Варистором называется нелинейный резистор, который применяется в радиоэлектронных цепях и обеспечивает защиту включенных в сеть приборов от перенапряжения. Его отличительной чертой является нелинейная вольт-амперная характеристика. В зависимости от величины воздействующего на деталь напряжения ее сопротивление может колебаться в значительных пределах – от нескольких десятков до сотен миллионов Ом. В этой статье мы поговорим о том, для чего нужен варистор, каков его принцип действия и как производится его подключение и проверка детали на исправность.

Как работает варистор?

На схеме варистор обозначается значком резистора, перечеркнутого по диагонали, что указывает на его нелинейность.

Когда нелинейный резистор функционирует в обычном режиме, его сопротивление велико. Однако оно сильно снижается при возрастании напряжения выше номинальной величины, что приводит к значительному повышению тока. Таким образом, разность потенциалов удерживается на уровне, несколько превышающем номинал. Варистор, работающий в этом режиме, выполняет функцию стабилизации напряжения.

Нелинейный резистор, будучи подключенным на входе электроцепи, добавляет к ее емкости собственную. Для устойчивой работы защищаемых приборов это необходимо учесть при проектировании линии.

 

 

На рисунке представлена стандартная схема подключения варистора.

Для правильного подбора защитного элемента важно знать мощность импульсов, имеющих место при переходных процессах, а также величину выходного сопротивления источника.

От максимальной силы тока, которую нелинейный резистор способен пропустить через себя, зависит частота повторений выбросов напряжения, а также их длительность. Если она слишком мала для конкретной цепи, защитный элемент быстро придет в негодность из-за перегрева. Поэтому, чтобы варистор работал безотказно в течение длительного времени, он должен обеспечивать эффективное рассеивание импульсной энергии при переходном процессе. Затем деталь должна быстро возвращаться в исходное состояние.