Классификация полупроводниковых диодов.

Емкости p-n перехода.

p-n переход обладает инерционностью, проявляющейся в том, что при мгновенном изменении тока через переход (выводы кристалла), напряжение на p-n переходе изменяется не мгновенно, т.е. нарушается соответствие между U и I, описываемое статической вольтамперной характеристикой:

В этом случае говорят, что p-n переход обладает емкостью.

Природа емкости p-n перехода двоякая и поэтому различают 2 емкости: барьерную (зарядовую) и диффузионную. Напомним, что емкость определяется как

Где Q – заряд, т.е. можно говорить о емкости электронного прибора, если в нем имеется заряд, зависящий от напряжения.

Барьерная емкость p-n перехода связана с зарядами неподвижных ионов в обедненной области полупроводника. Если растет , т.е. растет потенциальный барьер , то растет обедненная область , увеличивается количество положительных и отрицательных ионов, т.е. увеличивается Q. Характер зависимости Q от U определяется типом p-n перехода. Различают:

· резкие переходы – для которых характерно резкое изменение концентрации примесей при подходе к p-n переходу и

· плавные переходы – когда концентрация примесей изменяется плавно при подходе к p-n переходу.

Из курса физики вам известно, что вектор напряженности электростатического поля по величине равен, а по направлению противоположен градиенту электростатического потенциала или для одномерного случая .

Известно также, что согласно одному из уравнений Максвелла, расхождение вектора электрической индукции пропорционально плотности электрического заряда или для одномерного случая . Объединение приведенных выше двух уравнений позволяет связать распределение потенциалов и концентрацию примесей, определяющих плотность пространственного заряда в p-n переходе. Уравнение имеет вид:

, -диэлектрическая проницаемость

и называется уравнением Пуассона.

Проинтегрировав дважды это уравнение, получим связь между разностью потенциалов на переходе и шириной обедненной области и концентрацией примесей.

Рассмотрим резкий переход, у которого .

При x = E(x) = 0, поэтому

, откуда и .

Найдем распределение потенциала:

При x = ,

=> . Откуда .

Величина пространственного заряда, сосредоточенного в обедненной области толщиной l, составляет

, здесь S – площадь p-n перехода.

Откуда

Таким образом, барьерная емкость резкого p-n перехода обратно пропорциональна корню квадратному из напряжения, приложенного к p-n переходу.

для обратных напряжений.

Рассмотрим плавный p-n переход.

При x = E(x) = 0, поэтому

При x = 0 .

При x =

Пространственный заряд

Таким образом, емкость плавного перехода обратно пропорциональна кубическому корню из напряжения на переходе.

. .

Емкость резкого перехода определяется величиной концентрации примесей, а емкость плавного перехода определяется градиентом концентрации примесей в области объемного заряда.

Таким образом, зарядовую емкость p-n перехода можно отождествить с емкостью плоского конденсатора, у которого расстояние между пластинами равно l, а площадь пластин равна площади p-n перехода. Зарядная (барьерная) емкость тем больше, чем больше концентрация примесей на границе области объемного заряда и чем меньше напряжение на переходе.

Диффузионная емкость. Она связана с зарядом подвижных носителей заряда – электронов и дырок.

Показать наличие такой емкости можно на основе уравнения непрерывности. Рассматриваем открытый p-n переход, . Диффузионный ток – это дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. Поскольку , то можно пренебречь электронными токами и рассматривать только инжекцию дырок в n-область. Эти инжектированные дырки и создают заряд , который приводит к появлению .

Решив уравнение непрерывности, мы получим распределение избыточной концентрации неосновных носителей заряда (дырок в n-области) вдоль координаты x.

Учитывая, что пропорционально количеству избыточных неосновных носителей заряда в области базы (U-обл), найдем его, проинтегрировав выражение в пределах от 0 до ∞ (считаем, что ширина базы ):

Домножим полученное выражение на отношение и учтем, что . Получим:

Далее,

Следовательно, диффузионная емкость пропорциональна времени жизни носителей заряда и диффузионному току перехода обратно пропорциональна температурному коэффициенту. экспоненциально зависит от приложенного к p-n переходу напряжения U.

Следует отметить, что заряд не меняет электрической нейтральности базы, так как практически мгновенно через внешний вывод в базу приходит компенсирующий заряд электронов. Однако заряд существует и исчезнуть может, только если прекратить инжекцию через p-n переход (I = 0). Тогда заряд исчезнет с постоянной времени путем рекомбинации.

Выводы:

1. При U < 0 (обратное смещение p-n перехода) и существует у p-n перехода только . У современных транзисторных переходов составляет несколько пФ.

2. При U > 0 (прямое смещение p-n перехода) , т.к. , и составляет десятки тысяч пФ.

Именно наличие емкостей у p-n переходов ограничивает скорости переключения и диапазоны усилительных частот в полупроводниковых приборах.

Полупроводниковые диоды

Классификация полупроводниковых диодов.

Полупроводниковый диод – двухэлектродный прибор.

По применению диоды различают на:

Выпрямительные (силовые) диоды.
Стабилитроны.
Высокочастотные диоды.
Импульсные диоды.
Туннельные диоды.

По конструкции:

Дискретные – в корпусе помещен монокристалл со сформированным в нем p-n переходом.
Дискретные для микросхем – бескорпусные диоды для установки в гибридных интегральных схемах.
Интегральные диоды – приборы, составляющие неотделимые части интегральных микросхем.

По способу формирования p-n перехода:

а) Сплавные.

а) Диффузионные.

а) Эпитаксиальные.

По форме p-n перехода:

Плоскостные.
Точечные.

Выпрямительные диоды.

В качестве выпрямительных диодов используются плоскостные диоды. Чтобы вычислить численные значения параметров выпрямительных диодов, рассмотрим работу диода в простейшей выпрямительной схеме.

Блок-схема источника питания:

Назначение:

Силовой трансформатор – трансформирует напряжение сети в нужное для выпрямителя; развязка схемы выпрямителя от сети.

Фильтр – сглаживание пульсаций.

А) Параметры номинального режима

при заданном . У идеального выпрямителя , у реальных диодов - десятые доли вольта.
при заданном . У идеального , у реальных – от долей микроампера до миллиампер. Задание этих параметров есть задание сопротивлений

При других значениях и значения и будут также другими. Их можно определить, если известна U-I характеристика.

Максимальная частота работы диода - частота, на которой уменьшается в раз по сравнению с на низких частотах для вполне определенной схемы выпрямителя. Обычно не выше 50 КГц.
Параметры, характеризующие температурные зависимости: ТКН () для ; для . Для зависимости тока от температуры используются две аппроксимации: