Общие характеристики полупроводниковых диодов




Общие сведения изложены в п. 3.1, пособиях [1, ч. 1], [2], рекомендованной литературе.

Полупроводниковый диод – прибор с выпрямляющим электронно-дырочным переходом (p-n -переходом) и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода.

Рис. 3.1. Прямое (а - г) и обратное (д - з) включение p-n -перехода (диода)

Электронно-дырочным переходом (p-n –переходом) называется полупроводниковая структура, располагаемая на границе двух слоев, один из которых обладает дырочной (p), а другой электронной (n) проводимостью (рис. 3.1, а, в). Двухслойная p-n -структура создается введением в один из объемов (слоев) монокристалла акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси. Технологическая граница - сечение полупроводника при Х = 0. Вблизи этой границы, как границы раздела двух сред, создается область объемного заряда толщиной l 0, называемая p-n-переходом. Подключение к p-n -структуре внешнего напряжения (напряжения смещения) приводит к изменению условий переноса носителей заряда через p-n -переход.

Когда внешнее напряжение + U подключено в ²прямом направлении²: плюс на аноде А (p -области), а минус – на катоде К (n -области) (рис. 3.1, б), протекает значительный ток I пр(U) основных носителей заряда (первая четверть).

Когда внешнее напряжение – U подключено в ²обратном направлении²: плюс на катоде К (n -области), а минус – на аноде А (p -области) (рис. 3.1, г), протекает незначительный ток I обр(U) неосновных носителей заряда (третья четверть).

По мере увеличения прямого тока напряжение на p-n -переходе возрастает, стремясь (при достаточно больших токах) к некоторой величине U пр пред (рис. 3.1, г), называемой прямое падение напряжения на прямо смещенном p-n -переходе. Как правило, в кремниевых диодах величина
U пр пред не более 0,8 – 1,2 В, в то время как в германиевых диодах равна
U пр пред < 1 В. Одной из причин большего прямого падения напряжения
U
пр пред в кремниевых диодах является большая величина контактной разности потенциалов Dj0, связанная со большим значением ширины запрещенной зоны [2].

Теоретическая зависимость ВАХ идельного p-n-перехода, описывается соотношением [1, гл. 6], [2]:

I (U)= I 0(e ±a U - 1), (3.1)

где I 0 – тепловой ток; a = 1/jт = e / kT; jт температурный (тепловой) потенциал.

Статическое сопротивление определяется как

Rd = U / I, (3.2)

дифференциальное сопротивление rd:

rd = d U /d I,

или форме конечных разностей (рис. 3.2, б)

rd = D U /D I. (3.3)

При прямом смещении диод имеет малые статическое и дифференциальное сопротивление (единицы- десятки Ом), а при обратном – очень большие (Мом).

В зависимости от типа и назначения диода в качестве рабочего участка используется прямая или обратная ветвь вольтамперной характеристики p-n -перехода (рис. 3.2).

а) б)

Рис. 3.2. Аппроксимированные ВАХ идеального (а) и ВАХ реального (б) диодов

В диапазоне рабочих температур концентрация основных носителей равна концентрации примесей, но поскольку концентрация собственных носителей заряда экспоненциально возрастает с ростом температуры, то по закону действующих масс [1], [2] концентрация неосновных носителей также растет. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда является экспоненциальной функцией от температуры кристалла, то и величина обратного тока, обусловленного неосновными носителями, возрастает (примерно) по экспоненциальному закону при нагреве диода (рис. 3.3, 3.4). По этой причине обратный ток Ib = I 0 = I обр обычно называют тепловым.

Из закона действующих масс [1], [2] можно показать, что концентрация неосновных носителей заряда уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны. Так как ширина запрещенной зоны у кремния (1,12 эВ) больше, чем у германия (0,72 эВ), то при одинаковой концентрации примесей (одинаковая степень легирования) обратный тепловой ток в кремниевых диодах меньше, чем в германиевых (рис. 3.1, 3.2).

Следует различать диод, характеризуемый реальной структурой, особенностями конструкции, от его модели, описывающей свойства и характеристики прибора с определенными допущениями. На практике используют ряд упрощающих идеализированных моделей диодов, которые пригодны для анализа различных режимов работы.

Идеальный диод

Простейшей моделью электрического (аналогового) ключа, способного пропускать ток только в одном направлении, можно считать идеальный диод, у которого дифференциальным сопротивлением r при прямом включении пренебрегают, а сопротивление R при обратном включении считают бесконечно большим. Аппроксимированная вольтамперная характеристика идеального диода приведена на рис. 3.2, а, линия 1. При более точных аппроксимациях учитывают прямое падение напряжения на открытом диоде и его сопротивление r, так что излом вольтамперной характеристики (а, линия 2) происходит не в начале координат, а в примерной точке +0,7 В для кремниевых и +0,3 В для германиевых диодов, причем прямая ветвь идет под некоторым наклоном к оси тока.

Реальный диод.

Вольт-амперные характеристики реальных диодов представлены на рисунке 3.3: германиевый – типа Д2, кремниевый – типа Д226.

При увеличении напряжения U прямого смещения p-n -переход обогащается основными носителями, его сопротивление r падает (рис. 3.2, б, первый квадрант, пунктирная линия), прямой ток I пр почти экспоненциально возрастает, и при достаточно малых напряжениях U пр пред (до 1,2 В у кремниевых диодов) на прямо смещенном диоде ток I пр достигает больших значений.

а) б)

Рис. 3.3. ВАХ германиевого (а) и кремниевого (б) диодов

При использовании справочников (например, [10] и других) для сравнения этих диодов следует обратить внимание на величины:

– предельного прямого тока I пр мах;

– предельного прямого напряжения (U пр пред < 1 В);

– допустимого максимального обратного напряжения U обр мах;

– обратного тока I обр(U) и другие параметры.

В паспортных данных задается максимальная величина допустимого прямого тока I пр maxпри величине среднего прямого напряжения U пр cр. Например, при комнатной температуре для германиевого диода Д7 (рис. 2.5): U пр cр = 0,5 В (при токе 300 мА); для кремниевого диода 2Д202 (рис. 2.6):
U пр cр = 1 В (при токе 3 мА).

Значение прямого напряжения при допустимых прямых токах находится в пределах U пр пред = (0,8 - 1,2) В у кремниевых диодов и U пр пред < 1 В – у германиевых.

Зависимость тока I пр(U) от напряжения не является ²чисто² экспоненциальной функцией. В частности, при относительно больших токах следует учитывать падение напряжения на областях p- и n-типа, прилегающих к области p-n-перехода. Сопротивление r реального диода, включенного в прямом направлении в целом невелико и уменьшается по мере увеличения тока (рис. 3.2, б).

Обратная ветвь реального диода показана на рис. 3.3. По мере увеличения обратного напряжения происходит увеличение обратного тока за счет уменьшения тока диффузии (процесс диффузии обусловлен основными носителями) до нуля, поэтому единственной составляющей обратного тока остается только ток дрейфа (неосновные носители). Обратное сопротивление диода велико. Обратный ток реального диода немного зависит от приложенного обратного напряжения. Заметим, что у идеальных p-n -переходов обратный ток не изменяется, так как при неизменной температуре количество неосновных носителей заряда, создающих обратный ток, не зависит от величины обратного напряжения. Однако в реальных диодах существует токи термогенерации, токи утечки, поэтому на самом деле участок 1-2 имеет наклон (рис. 3.3).

Пробой диода

В отличие от идеального p-n- перехода, увеличение обратного напряжения на реальном диоде (рис. 3.2, б) приводит не только к росту (незначительному) обратного тока и при определенных напряжениях - к возникновению явления пробоя, при котором обратный ток резко возрастает.

Поэтому параметрами реального диода являются предельно допустимое обратное напряжение U обр max и обратный ток I обр при заданной температуре кристалла (на обратной ветви вольтамперной характеристики). В паспортных данных приводятся значения обратного тока I обр при допустимых значениях U обр mах, например, для Д7А: I обр = 100 мкА (при 50 В); для Д7Ж: I обр = 100 мкА (при 400 В); для 2Д202В: I обр = 1 мА (при 100 В); для 2Д202В: I обр = 1 мА (при 600 В).

Диоды с барьером Шоттки (диоды Шоттки, ДШ)– полупроводниковые приборы, в которых вместо p-n -перехода используется контакт металла с полупроводником n -типа. УГО, строение и ВАХ диода Шоттки показаны на рис. 2.4.

Конструктивно они выполняются (рис. 2.4, б) в виде пластины низкоомного кремния (n +-база), на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того n -типа. На поверхность пленки нанесено металлическое покрытие из пленок золота (толщиной 0,01 мкм). В других частях поверхность защищена слоем окисла SiO 2. Подобные структуры создаются с помощью метода фотолитографии [3], [4], [5].

В отличие от структуры обычного диода, ДШ характеризуются тем, что в них, с одной стороны, отсутствуют области p и p +-типов, с другой – присутствует контакт металл- полупроводник. В связи с этим, область объемного заряда, характерная для диодов, в ДШ возникает из-за различия в работе выхода электронов из металла и полупроводника.

Поскольку концентрация носителей заряда в металле (»1028 м-3) больше, чем в полупроводнике (nn << 1028 м-3), то область объемного заряда на границе металл-полупроводник (барьер Шоттки) и электрическое поле, возникающее в переходе, практически полностью локализованы в слое полупроводника n -типа (рис. 2.4, б).

а) б) в)

Рис.2.4. УГО (а), строение (б), ВАХ (в) диода с барьером Шоттки

ДШ характеризуются быстрой рекомбинацией инжектированных носителей (время жизни носителей t крайне мало), а значит и высоким быстродействием. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов, быстродействие получается достаточно высоким: граничная частота f гр = 1010 Гц.

Вольтамперная характеристика диода Шоттки идентична ВАХ выпрямительного диода (рис. 2.4, в). Отличие заключается в том, что прямая ветвь диода Шоттки близка к идеальной экспоненциальной кривой, а обратные токи достаточно малы (доли – десятки нА).

В целом, диоды с барьером Шоттки выгодно отличаются от диодов с p-n -переходом по следующим параметрам:

- более низкое прямое падение напряжения U пр пред – по сравнению с диодами с p-n- переходом величина U пр пред меньше на 0,2 – 0,3 В;

- малый обратный ток;

- почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления (рис. 2.9), поэтому они отличаются более высоким быстродействием;

- максимальное обратное напряжение U обр max диодов Шоттки составляет около 150 В.

Малая величина U пр пред и малое время восстановления обратного сопротивления обусловливают область применения ДШ – низковольтные высокочастотные выпрямители, в которых происходит выпрямления малых напряжений высокой частоты. Применение диодов Шоттки в выпрямителе снижает потери мощности примерно на 10…15 %.

В ДШ-диодах, в которых значение обратного напряжения U обр max понижено до 15 В, величина прямого напряжения U пр пред также снижается до 0,3 – 0,4 В.

Структуры на основе диодов Шоттки широко используются в качестве специальных диодов (детекторных, лавинно-пролетных, параметрических, смесительных и умножительных) [21], [22], фото- и светодиодов, транзисторов с барьером Шоттки, в том числе в структурах интегральных микросхем.

Диоды Шоттки имеют обозначение идентичное выпрямительным диодам, например, 2Д921, 2Д924, 2Д925, КД922, КД923, 3А529, 3А530 и т.п.

Упрощенная схема исследования диодов изображена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Упрощенная схема измерений

1 – диод; 2 – источник постоянного напряжения; 3 – электронный вольтметр; 4 – электронный амперметр; 5 – шестиполюсный переключатель полярности; 6 – потенциометр

Подготовка к работе

Лабораторная работа относится к темам: ² P-n -переход², ″Реальные диоды″. Предварительно необходимо выполнить задания контрольной работы (РГЗ).

В "заготовке" к работе следует описать:

– структуру, строение, схему замещения, идеальные и реальные вольтамперные характеристики диодов;

– написать количественные соотношения для вольтамперной характеристики диода, описать формулы для вычисления r;

– особенности маркировки (Д2, КД208, диодов Шоттки и другие), применение диодов;

– схему испытаний;

– подготовить таблицы.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-08-07 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: