ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость, можно определить ток при заданном напряжении или, наоборот, напряжение, соответствующее заданному току.
Если сопротивление прибора постоянно, не зависит от тока или напряжения, то связь между током и напряжением выражается законом Ома:
i = u/R или i = Gu. (2.1)
Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональности является проводимость G = 1/R.
График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой данного прибора или просто характеристикой. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Вольт-амперная характеристика линейного прибора
Чем больше сопротивление R,тем меньше проводимость G и тем меньше ток при данном напряжении. Поэтому для больших сопротивлений характеристика идет более полого. Сопротивление R связано с углом наклона a характеристики зависимостью
R = u/i - k ctg a, (2.2)
где k — коэффициент пропорциональности, учитывающий единицы величин, входящих в формулу, и масштаб, в котором значения величин отложены на осях.
Иначе можно написать:
| (3.3) |
G = i / R = i / и = k' tg a, (2.3)
где k' = 1 / k.
Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называются линейными.
Существуют также приборы, у которых сопротивление не постоянно, а зависит от напряжения или тока. Для таких приборов связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложным образом и вольт-амперная характеристика не является прямой линией, проходящей через начало координат. Эти приборы называются нелинейными.
Электронно-дырочный переход, по существу, представляет собой полупроводниковый диод. Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольт-амперной характеристики. Пример такой характеристики для диода небольшой мощности дан на рис. 2.2. Она показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому прямое сопротивление бывает обычно не выше нескольких десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при том же малом напряжении, a R пpсоответственно снижается до единиц и долей Ома.
Рис. 2.2. Вольт-амперная характеристика
полупроводникового диода
Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе, что и сделано на рис. 2.2. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки микроампер. Это соответствует сопротивлению несколько сотен килоОм и больше. Так как и обр >> и пр, то эти напряжения также отложены в разных масштабах. Вследствие различия в масштабах получился излом кривой в начале координат. При неизменном масштабе характеристика была бы плавной кривой, без излома.
Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении и пр сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление п- и р -областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока п- и р -области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.
Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток i обр = i др — i диф резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет не значительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т. е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения. При некотором значении обратного напряжения возникает пробой р-п-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой р-п -перехода. Электрический пробой, области которого соответствует на рис. 2.2 участок АБВ характеристики, является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Специальные диоды для стабилизации напряжения — полупроводниковые стабилитроны — работают на участке БВ характеристики. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: 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-п -переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.
Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105 В/см, действующем в р-п -переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.
Области теплового пробоя соответствует на рис. 2.2 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте р-п -перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима р-п -перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.
Емкость
р - п -переход при обратном напряжении и о6раналогичен конденсатору со значительным током утечки в диэлектрике. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда + Q обр и - Q обр, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому р - п -переход обладает емкостью, подобной конденсатору с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью. При постоянном напряжении она определяется отношением
С б = Q обр / и о6р (2.4)
а при переменном напряжении
С б = D Q обр / D и о6р (2.5)
Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади р - п -перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Несмотря на то, что у диодов небольшой мощности площадь перехода мала, емкость С б весьма заметна за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у германия e = 16). В зависимости от площади перехода значение С б может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенность барьерной емкости состоит в том, что она нелинейна, т. е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается и емкость С б уменьшается. Характер этой зависимости показывает график на рис. 2.3. Как видно, под влиянием напряжения и обр емкость С б изменяется в несколько раз.
Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Однако барьерная емкость бывает и полезной. Специальные диоды (варикапы и варакторы) используют как конденсаторы переменной емкости для настройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на свойствах нелинейной емкости. В отличие от обычных конденсаторов переменной емкости, в которых емкость изменяют механическим путем в варикапах это изменение достигается регулировкой обратного напряжения. Такую настройку колебательных контуров называют электронной настройкой.
Рис. 2.3. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения
При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью С диф, которая также нелинейна и возрастает при увеличении и пр. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в п- и р-областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в п- и р -областях. Так, например, если в некотором диоде р- область является эмиттером, а п -область — базой, то при подаче прямого напряжения из р -области в n- область через переход устремляется большое число дыроки, следовательно, в n -области появляется положительный заряд. Одновременно под действием источника прямого напряжения из провода внешней цепи в n -область входят электроны и в этой области возникает отрицательный заряд. Дырки и электроны в п -области не могут мгновенно рекомбинировать. Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствует определенное значение двух равных разноименных зарядов + Qдиф и - Qдиф, накопленных в n -области за счет диффузии носителей через переход. Емкость С диф, как обычно, представляет собой отношение заряда к разности потенциалов: при постоянном напряжении
С диф = Q диф / и пр, (2.6)
а при переменном напряжении
С б = D Q диф / D и пр. (2.7)
С увеличением ипр прямой ток растет быстрее, чем напряжение, так как вольт-амперная характеристика для прямого тока нелинейна; поэтому Q диф растет быстрее, чем и пр, и С диф увеличивается.
Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.
Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его эквивалентную схему для переменного тока (рис. 2.4, а). Сопротивление R 0в этой схеме представляет собой суммарное сравнительно небольшое сопротивление n - и р -областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление R нл при прямом напряжении равно R пр, т.е. невелико, а обратном напряжении R нл = R обр, т.е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и можно емкость не учитывать. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R 0и R пp (рис. 2.4, б), а при обратном напряжении — только сопротивление R обр, так как R 0 << R обр (рис. 2.4, в). На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис. 2.4, г (если частота не очень высокая, то С диф практически не влияет), а при обратном остаются R обр и С б (рис. 2.4, д).
Следует иметь в виду, что существует еще емкость С в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Она показана на рисунке штрихами. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.
Рис. 2.4. Полная и упрощенные схемы
полупроводникового диода