Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) p - n -переходов.

Процесс производства полупроводниковых диодов довольно сложен. Один из них заключается в том, что на пластинку германия или кремния 1 кладут небольшую таблетку индия 2 (рис. 1.14); кристалл помещают в электрическую печь, из которой выкачан воздух (вакуумная печь). При плавлении таблетки индия она растекается по пластинке, и атомы индия диффундируют в основное вещество (германий или кремний). В результате образуется область 3 с дырочной проводимостью.

 

Рисунок 1.14. Процесс «рождения» диода.

 

Напомним, что основной кристалл обладает электронной проводимостью. Между областями с электронной n- и дырочной p- проводимостями образуется так называемый p-n- переход 4. Этот сложный и тонкий процесс производится в вакууме для того, чтобы не произошло окисления индия и полупроводниковой пластинки.

Рисунок. 1.15. Полупроводниковый диод:

а) условное обозначение, б) его структура и в) вольтамперная характеристика

 

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис.1.15,а, а его структура на рис.1.15,б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом (по аналогии с электровакуумным диодом), а электрод, под­ключенный к области N, - катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 1.15,в.

Топологическая модель диода представлена на рис.1.16,а. Эта модель относится к низкочастотным динамическим моделям большого сигнала. Характеристика полупроводникового диода представлена на рис. 1.16,б, а область определения модели выделена на ней серым цветом. Из рисунка видно, что модель диода описывает работу диода во всех режимах.

Рисунок 1.16. Топологическая модель и область его определения.

 

Параметры топологической модели диода даны ниже, а ее компоненты описываются следующими выражениями.

Нелинейное сопротивление p-n перехода:

 

 

Емкость диода:

, где

 

Is – ток насыщения, mV₁- температурный потенциал, R_d- сопротивление диода, C_{0 –}емкость при нулевом смещении, n –показатель степени,

τ – постоянная времени, Ψ- контактная разность потенциалов,

U- напряжение стабилизации

 

 

При изменении температуры корпуса диода изменяются и его параметры. Эта зависимость должна учитываться при разработке аппаратуры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Темпе­ратурный коэффициент напряжения (ТКН) на диоде имеет отрицательное значе­ние, так как при увеличении температуры напряжение на диоде уменьшается. Приближенно можно считать, что ТКН U_п = - 2мВ/К.

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10°С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых - 2,5 раза.

Потери в выпрямительных диодах можно рассчитывать по формуле:

Р_д = Р_пр + Р_обр + Р_вос,

где Р_пр — потери в диоде при прямом направлении тока, Р_обр — потери в диоде при обратном токе, Р_вос — потери в диоде на этапе обратного восстановления.

Приближенное значение потерь в прямом направлении рассчитывается:

Р_пр = I_пр.ср U_пр.ср,

где I_пр.ср и U_пp.cp - средние значения прямого тока и прямого напряжения на диоде. Аналогично можно рассчитать потери мощности при обратном токе:

Р_обр = I_обр U_обр

И, наконец, потери на этапе обратного восстановления определяются:

Р_вос = 0,5I_пр.срU_пр.ср τ_срƒ,

где f - частота переменного напряжения.

После расчета мощности потерь в диоде следует определить температуру кор­пуса диода по формуле

,

где Т_{п. мах} =150°С - максимально допустимая температура кристалла диода, R_п.к. — тепловое сопротивление переход-корпус диода (приводится в справочных данных на диод), T_{к. мах} - максимально допустимая температура корпуса диода.

 

Рисунок 1.17. Точечный ПД:

1 - выводы; 2 - корпус (керамика или стекло); 3 - ПП пластинка (германий n -типа); 4 – проволочка ( < 0,1мм) из бериллия.

Рисунок 1.18.Плоскостной ПД:
1- выводы; 2 - кристаллодержатель; 3 - полупроводник; 4 - электрод; 5 - корпус; 6 - проходной изолятор (стекло);

7 - коваровая трубка.

 

Все полупроводниковые диоды (ПД) можно разделить на несколько групп: выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ, варикапы, туннельные, обращенные, фото-, светоизлучающие, магнитодиоды, тензодиоды, стабилитроны, многослойные.

Полупроводниковые диоды могут быть кремниевые, германиевые или из арсенида галлия – классифицируются, в основном, по:

 

• типу электрического перехода - на точечные и плоскостные (рис.117 и 1.18);
• назначению - на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и др.

 

В ы п р я м и т е л ь н ы е д и о д ы конструктивно делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Выпрямительные плоскостные диоды предназначены для преобразования переменного тока (до 50 кГц) в постоянный: мощные германиевые – до 1000 А (выпрямленный ток) и Uобр =150 В; мощные кремниевые – 10 ÷ 500 А; Uобр = до 1000 В.

Выпрямительные точечные диоды предназначены для СВЧ (до нескольких. сотен МГц): до 0,1 A; U_обр до 150 В.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материа­лом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока.

Силовые выпрямительные диоды (рис.1.19), как правило, работают в блоках, обеспечивающих энергопитание электротехнических устройств. Поэтому они должны быть мощными, обладать высоким к.п.д. преобразования переменного тока в постоянный, не изменять свои параметры в процессе работы. И их конструкция должна предусматривать хороший теплоотвод.

Поскольку на выпрямительных диодах, как правило, рассеивается значительная мощность, они разогреваются, что приводит к ухудшению их выпрямительных свойств и, если температура pn- перехода превысит определенное значение, диод может выйти из строя, что в свою очередь может сопровождаться выходом из строя всего силового блока.

 

Рисунок 1.19. Выпрямительный диод:

а) конструкция; б) ВАХ при разных температурах.

 

 

Для характеристики воздействия температуры на pn -переход вводят специальный параметр – тепловое сопротивление. Тепловое сопротивление полупроводниковых приборов характеризует, как выделяющаяся в полупроводниковом приборе мощность влияет на его разогрев. Измеряется тепловое R_Т сопротивление в [О/Вт]:

T_п - температура pn - перехода, Т_ос - температура окружающей среды.

 

Величина R_т - зависит от конструкции прибора, в частности способа крепления кристалла, конструкции корпуса. Чем более массивный кристаллодержатель и сам корпус, тем меньше тепловое сопротивление прибора. На рис. 1.20 в качестве примера приведены конструкции двух корпусов с указанием их теплового сопротивления.

 

Рисунок. 1.20. Примеры конструкций диодов с различным сопротивлением:

1,2 малой мощности, Rт = (100-200) °/Вт, 3-средней мощности, Rт = 1-10°/Вт.

 

В судовых электроустановках встречается множественный ряд потребителей электроэнергии, которые требуют для своей работы постоянного напряжения и которые обеспечиваются различными схемами на полупроводниковых выпрямителях.

Схемы выпрямления классифицируются по различным признакам:

• числу фаз вторичной обмотки трансформатора (однофазные и трехфазные);
• форме выпрямленного напряжения (однополупериодные и двухполупериодные;
• схеме соединения вентилей (с последовательным включением и мостовые);
• мощности, напряжению и частоте выпрямленного тока.

 

П р о с т е й ш а я с х е м а в ы п р я м и т е л я приведена на рис.1.21,а.

 

Рисунок 1.21. Однополупериодная схема выпрямления:

а) схема выпрямления б) кривые токов и напряжений.

 

В промежутке времени (0-01) к вентилю VD подводится положительное напряжение и через вентиль протекает ток прямого направления. Этот промежуток называется проводящим полупериодом, а ток i_d- прямым током (рис.1.21б).

В промежутке (01-02) разность потенциалов между анодом и катодом вентиля отрицательна, и через вентиль протекает незначительный ток. Промежуток (01-02) называется непроводящим полупериодом, а ток i_в– обратным током.

Обозначим через R_aсопротивление вентиля в проводящем полупериоде, а через Rв – сопротивление вентиля в непроводящем полупериоде. В промежутке (0-01) напряжение вторичной обмотки трансформатора

 

U₂ = i_d R_a + i_d R_d,

где

i_d R_a = ∆ U_a

 

- падение напряжения в вентиле;

i_d R_d = U_d

 

- выпрямленное напряжение на зажимах приемника энергии.

В промежутке (01-02) напряжение вторичной обмотки трансформатора

 

U₂ = i_e R_e + i_e R_d = U_e + i_eR_d ,

где - обратное напряжение на вентиле.

Для большинства типов вентилей обратный ток и падение напряжения незначительны и ими пренебрегают, тогда в проводящем полупериоде

 

U₂ = i_dR_d = U_d,

а в непроводящем полупериоде

U₂ = U_d.

Теперь рассмотрим о д н о ф а з н у ю д в у х п о л у п е р и о д н у ю о д н о - т а к т н у ю схему (рис.1.22).

Вторичная обмотка трансформатора имеет секции и с напряжениями и , сдвинутыми по фазе на 180⁰.

Для напряжений секций и трансформатора имеем

 

,

где – действующее значение напряжения одной секции вторичной обмотки трансформатора.

Амплитуда тока вентиля

 

Рисунок 1.22. Двухполупериодная однотактная вентильная схема:

а –схема выпрямления; б – кривые токов и напряжений

 

 

Когда вентиль 1 закрыт, на его катод с помощью токопроводящего вентиля 2 подается напряжение .

Поэтому обратное напряжение на вентиле

 

U_e = U₁ – (U₂) = 2U₁

U₂ = - U_1,

а его амплитуда

Мгновенное значение первичного тока

 

.

Так как ток меняется синусоидально, его действующее значение

 

 

О д н о ф а з н а я м о с т о в а я с х е м а собирается на четырех диодах, являющимися плечами моста (рис. 1.23,а). В одну диагональ моста включен резистор нагрузки Rн, а другая подключена к источнику переменного напряжения – вторичной обмоткой трансформатора. Диоды VD1 и VD3 образуют катодное плечо моста с положительным потенциалом, а диоды VD2 и VD4 – анодное плечо с отрицательным потенциалом.

 

Рисунок 1.23. Однофазная мостовая схема выпрямления.

 

Среднее значение выпрямленного напряжения, а также среднее значение выпрямленного тока, частота пульсаций и коэффициент пульсаций в мостовой схеме такой же, как и в схеме однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Достоинство схемы: малая мощность трансформатора; обратное напряжение на диодах равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора; конструкция проще, а габариты, вес и стоимость трансформатора меньше. Недостатки схемы: требуется четыре вентиля; большой коэффициент пульсаций.

 

Т р е х ф а з н а я о д н о п о л у п е р и о д н а я с х е м а вы­прямления с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформа­тора (схема Миткевича) состоит из трехфазного трансформатора. Пер­вичная обмотка трансформатора может быть соединена звездой или тре­угольником, вторичная обмотка - только звездой с выводом нулевой точки (рис. 1.24, а). Резистор нагрузки Rн включается между нулевой точкой звезды и общим катодом трех диодов VD1, VD3 и VD5, аноды которых будут соединены со свободными концами А, В, С каждой из фаз. Катоды диодов, соединенных в общую точку, служат положи­тельным полюсом для цепи нагрузочного резистора Rн, а нулевая точка 0 вторичной обмотки трансформатора -отрицательным полюсом.

Работу данной схемы выпрямления можно рассматривать как ра­боту трех однополупериодных схем выпрямления, соединенных па­раллельно и работающих на общий резистор нагрузки Rн. А так как напряжения вторичной обмотки трансформатора Uа,Uв, Uс сдвинуты по фазе на одну треть периода (Т/З или 120°) и в течение этого интервала­ времени напряжение одной фазы (например, фазы А в интервале времени аб) выше напряжения двух других фаз В, С относительно ну­левой точки трансформатора. Ток через диод VD1, фазу А и резистор нагрузки Rн будет протекать в течение интервала времени аб, когда напряжение фазы А выше напряжения фаз В и С. Ток через диод VD1 перестает проходить, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов и, следовательно, к диоду VD1 приклады­вается обратное напряжение.

 

 

 

Рисунок 1.24. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления:

а) схема выпрямления; диаграмма токов и напряжений.

 

Переход тока от одного диода к другому (коммутация токов) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений А, В, С (точки а, б, в, г, д, е на рис. 1.24, б). Токи всех диодов проходят через резистор нагрузки Rн в одном направлении. Среднее значение выпрямленного напряжения:

 

 

Среднее значение выпрямленного тока, проходящего через резис­тор нагрузки, Id = Ud/Rн. Каждый вентиль в данной схеме работает в течение одной трети периода. Следовательно, среднее значение тока через диод в 3 раза меньше тока резистора нагрузки, т. е. Id ер = Id/3.

Достоинства схемы: лучшее использование обмоток трансформатора; равномерно нагружает сеть переменного тока; схема проста; меньше потери в диодах. Недостаток схемы: мощность трансформатора должна быть завышена.

 

Т р е х ф а з н а я д в у х п о л у п е р и о д н а я м о с т о в а я с х е м а выпрямления (схема Ларионова) приведена на рис.1.25,а. В этой схеме последовательно соединены две трехфазные однополупе­риодные схемы выпрямления. Диоды VD1, VD3, VD5 представляют собой катодную группу моста, а диоды VD2, VD4, VD6 - анодную. В данной схеме выпрямления пропускают токи те два диода, которые имеют максимальный положительный и минимальный отрицательный потенциалы. Третья фаза подключается лишь в период коммутации.

 

 

Рисунок 1.25. Трехфазная двухполупериодная мостовая схема выпрямителя:

а) схема выпрямления; б) диаграмма токов и напряжений.

 

Катодные диоды повторяют режим работы трехфазной схемы выпрямления с нулевой точкой. В этой группе диодов в течение каждой трети периода пропускает ток тот диод, который имеет наиболее высокий потенциал анода. В анодном плече моста VD2, VD4, VD6 в данную часть периода пропускает ток тот диод, у которого катод имеет наибо­лее отрицательный потенциал по отношению к общей точке анодов.

Диоды катодного плеча открываются в моменты пересечения поло­жительных синусоид (а, 6, в, г, д на рис. 1.25,б), а диоды анодного пле­ча - в момент пересечения отрицательных синусоид (точки К, Л, М, Н). Таким образом, проводить ток будут два диода, лежащие в разных плечах выпрямительного моста, между которыми действует наиболь­шее линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора U_2Л. На­пример, в интервале времени t₁ - t₂ ток проводят диоды VD1 и VD6, на интервале времени t₂ - tз – диоды VD1 и VD2, в интервале tз­ - t₄ - диоды VD3, VD2 и т. д. Следовательно, интервал совместной работы двух диодов равен л/3 или 60⁰, а интервал проводимости каж­дого диода составляет одну треть периода: Ф = 2л/3.

Следует отметить, что нумерация вентилей в данной схеме выпрям­ления носит не случайный характер, а соответствует порядку их вступ­ления в работу при заданной фазировке трансформатора. График напряжений и токов показаны на рисунке 1.25,б. Среднее значение выпрям­ленного напряжения Ud = 2,34 U2ф. Среднее значение выпрямленно­го тока, проходящего через резистор нагрузки, Id = U / Rн. Так как каждый диод работает только одну треть периода, то ток диода будет в 3 раза меньше. Частота пульсаций в 6 раз боль­ше частоты сети питания:

Достоинства схемы: коэффициент пульсаций имеет малое значение; мощность трансформатора используется практически на 100 %; боль­шая частота пульсаций и малая их амплитуда; возможность включе­ния в сеть без трансформатора.

Немаловажную роль выпрямительные диоды выполняют в защите электронных схем с применением различных видов индуктивностей от напряжения самоиндукции.

Вспомним, что при резком выключении из розетки вилки электроприбора можно увидеть искру. Причиной этого является то, что при выключении электрического тока в проводнике возникает ток самоиндукции. Явление самоиндукции заключается в появлении ЭДС индукции в самом проводнике при изменении тока в нем. Для самоиндукции выполняется установленный опытным путем закон: ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока в проводнике:

 

 

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку (рис. 1.26).

Рисунок 1.26. Процесс самоиндукции.

Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Энергия магнитного поля находится по формуле:

 

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии. т напряжения самоиндукции.ЭДС самоиндукции во много раз может превышать ЭДС источника питания, что чрезвычайно опасно для полупроводниковых приборов, в схеме которых имеется индуктивность..

Во многих электронных схемах исполнительным органом, т.е. конечным элементом схемы, является электромагнитное реле. При отключении питания со схемы на катушке реле возникает напряжение ЭДС самоиндукции обратной полярности и в 2...3 раза превышающее напряжение питающей сети, что приводит к быстрому выбросу напряжения между коллектором и эмиттером, которое может вывести из строя различные мощные полупроводники.

Исходя из общих правил разработки схем электрооборудования постоянного тока, следует параллельно индуктивной нагрузке, подключенной к полупроводниковым приборам, устанавливать выпрямительный диод, шунтирующий выбросы напряжения обратной полярности от ЭДС самоиндукции.

 

Рисунок 1.27. Защита схемы от ЭДС самоиндукции.

 

При включении замыкателя S (рис.1.27) получает питание светодиод VS1 и катушка реле К1, тем самым контакты К1.1 данного реле подают питание на нагревательный элемент Rн. Диод VD1 закрыт. Как только размыкается замыкатель S, отключается нагревательный прибор Rн, гаснет светодиод VS1. В катушке реле К1 возникает ЭДС самоиндукции обратной полярности, которая открывает диод VD1 и замыкает цепь катушки накоротко через диод VD1, тем самым гася ЭДС самоиндукции и спасая от пробоя светодиод VS1.

 

И м п у л ь с н ы е д и о д ы являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для работы в качестве ключевых элементов в импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств, импульсные диоды должны иметь минимальное значение времени при переключении в прямом и обратном направлениях.
Импульсными называются диоды, которые могут работать с временами переключения 1мкс и меньше. В импульсных диодах наличие зарядной емкости приводит к искажению формы импульса. Малое значение зарядной емкости достигается уменьшением площади p-n -перехода. Поэтому основная конструктивная задача заключается в уменьшении площади p-n -перехода. Для изготовления импульсных диодов используют германий и кремний. Преимуществом диодов из германия является малое значение падения напряжения на диоде при прямом смещении, что существенно при работе диодов при малых сигналах.

При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде на основе обычного p-n перехода значение тока через диод, соответствующее статической вольтамперной характеристике, устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких переключениях обычно называют переходным процессом. Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением не основных носителей в базе диода при его прямом включении и их рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует, то движение не основных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на динамические свойства диодов в режиме переключения.

Рассмотрим изменения тока I при переключении диода с прямого напряжения U на обратное напряжение. На рисунке1.28 показаны эпюры изменения напряжения и тока на диоде.

Рассмотрим кинетику переходного процесса, то есть изменение тока p-n перехода при переключении с прямого напряжения на обратное. При прямом смещении диода на основе несимметричного p-n перехода происходит инжекция неравновесных дырок в базу диода.

 

 

Рисунок 1.28.. Эпюры изменения напряжения и тока при переключении диода:
а) напряжение; б) ток

Изменение во времени и пространстве неравновесных инжектированных дырок в базе описывается уравнением непрерывности:

 

 

В момент времени t = 0 распределение инжектированных носителей в базе определяется из диффузионного уравнения и имеет вид:

 

 

С течением времени концентрация неравновесных носителей будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток. За время t₂, называемое временем восстановления обратного сопротивления или временем рассасывания, обратный ток придет к значению, равному тепловому току.

При установлении стационарного состояния в момент времени t → ∞ стационарное распределение неравновесных носителей в базе описывается соотношением:

 

Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе области пространственного заряда p-n перехода:

Рисунок 1.29. Зависимость обратного тока от времени при переключении диода.

Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза. Для импульсных диодов время среза τ_ср и время восстановления τ_в обратного сопротивления диода являются важными параметрами (см. рис. 1.29).

Для уменьшения их значения существуют несколько способов. Во-первых, можно уменьшать время жизни неравновесных носителей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных центров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители рекомбинировали на тыльной стороне базы.

Имея такие идеальные выходные характеристики, импульсные диоды чаще всего используются в режиме диодного ключа.

 

С т а б и л и т р о н о м называется полупроводниковый диод, вольтамперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольтамперной характеристики (см.рис.1.30).

Рисунок 1.30. Вольтамперная характеристика стабилитрона.

Основное назначение стабилитрона – стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U _стаб, ток через стабилитрон резко возрастает.

Дифференциальное сопротивление R диф идеального стабилитрона на участке ВАХ стремится к нулю, в реальных приборах величина R диф составляет примерно от 2 до 50 Ом. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом.

На рисунке 1.31 изображена мостовая схема блока питания, где стабилитроны VD5 и VD6 осуществляют стабилизацию напряжения в пределах 15В в случае колебания напряжения в сети 220В за счет изменения своего внутреннего сопротивления (увеличение или уменьшение проходящего через него тока), тем самым, создавая падение напряжения на резисторе R, равное избыточному. Напряжение стабилизации U_стаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, - лавинный и туннельный пробой p - n перехода.

 

Рисунок 1.31. Типовая схема стабилизации напряжения.

Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации U_стаб невелико и составляет величину менее 5 Вольт. А для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 Вольт. По напряжению стабилизации различают низковольтные и высоковольтные стабилитроны: промышленностью выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400В

Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неогра­ниченно долго.

Для оценки температурного влияния на напряжение стабилизации используется температурный коэффициент напряжения стабилизации:

 

где ∆Uст - отклонение напряжения стабилизации от номинального значения при изменении температуры на ∆T.

На рисунке 1.32,а показано условное графическое изображение стабилитронов, а на рисунке 1.32,б приведены их вольтамперные характеристики:

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис.1.32,б штриховой линией показано перемещение вольтамперных характерис­тик при увеличении температуры. Очевидно, что повышение температуры увели­чивает напряжение лавинного пробоя при U_ст>5B и уменьшает его при U_ст<5B. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5В имеют по­ложительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U_ст<5В -отрицательный. При U_ст=6...5B ТКН близок к нулю.

 

 

Рисунок 1.32. Стабилитрон:

а) схематическое изображение стабилитронов; б) их вольт-амперные характеристики

 

Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряже­ния на диоде. Такие приборы в отличие от стабилитронов называют с т а б и с т о р а м и. В области прямого смещения p-n -перехода напряжение на нем имеет значе­ние 0,7...2В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют ста­билизировать только малые напряжения (не более 2В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также, включают сопротивление. В отли­чие от стабилитронов при увеличении температуры напряжение на стабисторе уменьшается, так как прямое напряжение на диоде имеет отрицательный ТКН. Схема включения стабилитрона приведена на рис.1.33,а, а стабистора - на рис.1.33,б.

 

 

Рисунок 1.33. Схема включения:

а) стабилитрона; б) стабистора

Д и о д ы Ш о т к и (ДШ) - это диоды, в которых вместо p-n -перехода используется контакт металлической поверхности с полу­проводником. При включении p-n -структуры в электрическую схему кроме p-n -перехода образуются еще два перехода: один - между подводящим ток электродом и p -областью, другой - между таким же электродом и n -областью. Обозначив символом М металл электрода, назовем эти переходы МN - и MP -переходами (рис. 1.34).

Для того чтобы эти переходы не искажали работу pn -перехода, необходимо, чтобы они не создавали потенциальных барьеров и были омическими, т. е. обладали возможно меньшим электрическим сопротивлением, не зависящим от значения и направления тока.

С этой целью на поверхность n -области наносят металл, имеющий работу выхода электронов, меньшую, чем полупроводник n -типа, поэтому преимущественным будет переход электронов из металла в n -полупроводник. Эти электроны, добавляясь к «своим» свободным электронам, обогащают приконтактный слой n -полупроводника носителями зарядов, обеспечивая малое электрическое сопротивление MN -перехода при любом направлении тока.

Рисунок 1.34. Диод. Шотки:

а) условное графическое обозначение; б) конструкция.

 

В случае MP -перехода тот же эффект достигается при использовании в качестве электрода металла, имеющего работу выхода электронов, большую, чем полупроводник Р -типа. При этом электроны из приконтактного слоя Р - области уходят в металл, обогащая этот слой дырками - основными носителями для Р - области, обеспечивая малое сопротивление MP -перехода в обоих направлениях (см.рис.1.35). С помощью омических переходов осуществляется подключение тех или иных областей полупроводниковых приборов, рассматриваемых далее, в электрические цепи различных устройств.

 

Рисунок 1.35.Эффект Шотки.

Структура металл-полупроводник называется переходом Шотки. Рассмотрим MP -структуру (т. е. металл-полупроводник n -типа). Если работа выхода электронов у металла выше, чем у полупроводника, то преобладающим будет перемещение электронов из полупроводника в металл (свободным электронам металла труднее приобрести энергию, равную работе выхода, чем электронам полупроводника). В результате металл заряжается отрицательно, а оставшиеся в полупроводнике ионы донорной примеси создают в его приграничном слое положительный потенциал.

Такое распределение за­рядов создаст контактную разность потенциалов Uк (потенци­альный барьер), препятствующую дальнейшему перемещению электронов, подобно тому, как это имеет место в pn -переходе.

Рисунок 1.36. Вольтамперная характеристика диода Шотки.

 

Аналогично pn -переходу MP -переход (слой полупроводника, прилегающий к границе) обедняется носителями и его электрическое сопротивление повышается. Если приложить к переходу внешнее обратное напряжение, совпадающее с Uk, то ширина обедненной области увеличивается, так как электроны n- области оттягиваются к положительному полюсу приложенного напряжения. При противоположной (прямой) полярности вешнего напряжения обедненная область сужается. Таким образом, МP -переход уподобляется pn -переходу, и их вольт-амперные характеристики оказываются аналогичными. Такой перевод металл-полупроводник в отличие от омического называют выпрямляющим.

Одной отличительной особенностью характеристик перехода Шотки является значительно меньшее прямое падение напряжения по сравнению с pn -переходом (см.рис.1.36). Объясняется это тем, что одно из веществ этого перехода – металл, а следовательно, его электрическое сопротивление (и соответствующее падение напряжения на нем) значительно меньше, чем у полу­проводника.

Другая особенность перехода Шотки – отсутствие инжекции не основных носителей заряда из металла в полупроводник (в рассматриваемом случае –дырок, которые являются не основными носителями). Отсюда следует, что в приборах, использующих переход Шотки, отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением не основных носителей в полупроводниках, что значительно повышает их быстродействие.

При описании модели диода с барьером Шотки в программах схемотехнического моделирования можно использовать описание диодов с p-n переходом, но задавать очень малые значения времени жизни не основных носителей ТТ= 0. Ток насыщения, как правило, на два-три порядка больше, а контактная разность потенциалов VJ равна 0.2-0.3 В.

 

Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n -переходом по следующим параметрам:

• более низкое прямое падение напряжения;

• имеют более низкое обратное напряжение;

• более высокий ток утечки;

• почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

 

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проекти­ровании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие не основных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.