Динамические параметры p-n перехода

Рассмотренные статические характеристики и параметры p-n перехода позволяют правильно строить схемы устройств с их применением, как по току, так и по напряжению. Однако работа p-n перехода существенно зависит от частоты сигналов подаваемых на переход. Для определения динамических (временных) параметров перехода соберём схему рис.11.

Рис. 11. Схема для определения временных параметров p-n перехода.

Данная схема реализована в программном пакете EWB 4.0 и состоит из функционального генератора, диода (p-n переход), ограничивающего ток резистора 100оМ, источника напряжения управляемого током (ИНУТ) и осциллографа. Осциллограф двухлучевой; на канал А подаётся напряжение от функционального генератора, а на канал В — напряжение пропорциональное току протекающему по переходу (диоду). С целью получения такого напряжения используется ИНУТ.

Функциональный генератор настроен на частоту 1мГц с тем, чтобы на графике были заметны характерные временные интервалы. Форма напряжения прямоугольная с амплитудой 10В, и скважностью 2. В соответствии с этими данными установлены следующие параметры осциллографа: Масштаб для напряжения генератора 10В/дел, масштаб по току 100мВ/дел, масштаб по напряжению на p-n переходе 5В/дел, масштаб по времени 0,1мКс/дел. Выполним анализ диаграмм.

Рис. 12. Временные диаграммы работы p-n перехода.

На интервале времени 0-t1 генератор формирует положительную полуволну, что приводит к прямому смещению перехода и на нём выделяется положительное напряжение 0,7В. В момент t1 генератор переключается на отрицательную полуволну, что должно сместить переход в обратную сторону и перевести его в непроводяшее состояние. Однако на временной диаграмме видно, что на интервале t1 - t2 появляется импульс отрицательного тока и напряжение на переходе сохраняется на уровне 0,7В. Эта особенность объясняется тем, что в проводящем состоянии в области гальванической границы накапливается объёмный заряд неосновных носителей, и поэтому после переключения питающего напряжения на смещающее переход в обратном направлении начинается процесс рассасывания этого заряда. На время рассасывания заряда tрас появляется обратный ток. После рассасывания заряда начинается процесс восстановления обратного сопротивления на интервале — tвос. По окончанию интервала t1-t2 восстанавливается обратное сопротивление перехода и величина обратного тока. При подаче на переход прямосмещающего напряжения прямой ток устанавливается по истечении интервала времени установления прямого тока — tуст, что объясняется накоплением заряда неосновных носителей.

Рассмотренные временные параметры перехода не зависят от режима работы перехода, а определяются конструкцией. Знание динамических параметров позволяет правильно использовать электронные устройства с p-n переходами. На рис. 13 приведены диаграммы работы диода 1N4001 при питающем напряжении частотой 10мГц.

Рис. 13. Диаграмма работы p-n перехода.

Анализируя диаграмму, приходим к выводу, что время рассасывания и восстановления равны по времени длительности отрицательного полупериода и весь отрицательный полупериод существует обратный ток равный прямому. Можно считать, что при таких соотношениях частоты питающего напряжения и динамических параметров p-n перехода односторонняя проводимость отсутствует, т.е. переход проводит как при прямом смещении, так и при обратном. Нарушены основные функции p-n перехода по определению.

Полупроводниковые диоды.

Прямое использование p-n перехода привело к появлению полупроводникового устройства — диода, основное назначение которого — организация прохождения тока в одном направлении в цепи, в которой установлен диод.

Используя различные конструкции переходов (плоскостные, точечные, с тонкими или толстыми слоями), различные технологические приёмы получают различные по характеристикам и по назначению диоды.

По функциональному назначению диоды подразделяют на:

- выпрямительные,

- стабилитроны и стабисторы,

- светоизлучающие,

- фоточувствительные,

- генераторные.

Выпрямительные диоды.

Эта разновидность диодов имеет наибольшую номенклатуру и наиболее широко применяется. Основное их назначение — преобразование переменного тока в пульсирующий, импульсный или постоянный ток, т.е. основная область их применения это выпрямители. Выпрямительные диоды между собой различаются по предельным параметрам.

Предельные параметры диодов:

- максимально допустимый прямой ток — Iпр мак,

- максимально допустимое обратное напряжение — Uоб мак,

- максимально допустимая рассеиваемая мощность — Pмак,

- максимально допустимая частота тока без снижения параметров — Fмак.

Максимально допустимый ток определяется площадью p-n перехода и концентрацией основных носителей в слоях кристалла. Поэтому диоды, рассчитанные на большие прямые токи имеют большие площади переходов и соответственно большие геометрические размеры.

Допустимое обратное напряжение зависит от толщины слоёв кристалла и от качества технологии (минимальное количество примесей и высокая степень чистоты кристалла и его поверхностей).

Современные технологии позволяют получать при малых габаритах диоды с достаточно большими прямыми токами и большими обратными напряжениями. Примером может служить диод КД226, который при диаметре 5,5мм и длине 9,6мм имеет Iпр мак = 1,7А и Uоб мак = 800В, а диод 1N4007 при диаметре 4мм и длине 7мм имеет Iпр мак = 1А и Uоб мак = 1300В.

Большое значение для нормальной работы имеет максимальна частота, т.к. при превышении этого параметра допустимые ток и наряженное резко уменьшаются. Эта особенность требует выбирать диоды для применения в схемах в соответствии частотой тока.

Для использования при повышенных частотах необходимо использовать диоды с малым временем рассасывания и восстановления. Обычно таким требованиям отвечают диоды, у которых полупроводящие свойства образуются за счёт контакта полупроводник - металл — диоды Шоттки. Так диод КД213 сохраняет прямой ток до 10А при частоте 100кГц.

Маломощные выпрямителные диоды (малые токи и напряжения) обычно имеют значительно лучшие частотные параметры.

Выпрямительные диоды, предназначенные для работы в цепях высокой частоты (до 600 МГц) называются высокочастотными. Как было указано ранее, они изготавливаются на основе точечного контакта (малые прямые токи и малые рассеиваемые мощности) или на использовании контакта металл - полупроводник (явление Шоттки). Малое прямое сопротивление и малая емкость барьера Шоттки позволяют этим диодам работать до частот порядка 250 ГГц.

В вычислительной технике, где сигналы обычно имеют импульсную форму, используют специальные так называемые импульсные диоды, которые характеризуются малыми барьерными емкостями и малым временем жизни неосновных носителей заряда в области p-n перехода. Такие специфические характеристики достигаются за счет специальных конструктивно-технологических мероприятий. По способу выполнения p-n перехода импульсные диоды подразделяются на точечные, сплавные, сварные и диффузные (меза и планарные). Наименьшим временем переключение обладают диффузные диоды, у которых оно может составлять единицы и доли наносекунд [нс].

Стабилитроны и стабисторы.

Рис.14. Параметрический стабилизатор.

Диоды у которых при обратном смещении возможен туннельный или лавинный пробой называют стабилитронами. Основное их использование — стабилизация напряжения на нагрузке (резисторе), включённой параллельно диоду, диод при этом включают при обратном смещении перехода. Подобное использование называют параметрической стабилизацией (рис.14).

Параметрический стабилизатор сохраняет неизменным напряжение на нагрузке Rн как при изменении напряжения источника питания U, так и при изменении нагрузки. Однако изменения должны быть небольшими.

В диапазоне напряжения стабилизации от 3В до 30В обычно используют туннельный пробой, для напряжений стабилизации более 30В используют лавинный пробой. Для стабилизации напряжений менее 3В применяют стабисторы, которые работают при прямом смещении.

В качестве максимально допустимых параметров для стабилитронов и стабисторов применяют:

- напряжение стабилизации - Uст,

- минимальный ток стабилизации - Iмин,

- максимальный ток стабилизации - Iмакс.

Напряжение стабилизации — напряжение пробоя для данного типа устройства, минимальный ток стабилизации — минимальное значение обратного тока при котором сохраняется режим пробоя, максимальный ток стабилизации — значение обратного тока при превышении которого электрический пробой (туннельный или лавинный) переходит в тепловой пробой, приводящий устройство в нерабочее состояние. Таким образом, при использовании стабилитронов или стабисторов необходимо выбирать ток не менее минимального и не более максимального.

Светодиоды.

При подаче на p-n переход прямого напряжения наблюдается интенсивная инжекция неосновных носителей. Инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями с выделением энергии. У многих полупроводников энергия, выделяющаяся при рекомбинации отдаётся кристаллической решётке в виде тепла. Однако у полупроводников, выполненных на основе карбида кремния (SiC), галлия (Ga) и мышьяка (As) энергия рекомбинации выделяется в виде квантов излучения — фотонов. Поэтому у таких полупроводников прохождение прямого тока сопровождается некогерентным оптическим излучением определённого спектрального состава. Диоды, обладающие такими особенностями называют светоизлучающими диодами (СИД). Часто используется термин — светодиод. В зависимости от ширины запрещенной зоны и особенностей рекомбинации излучение может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Наибольшее распространение получили светодиоды с инфракрасным, красным, жёлтым или зелёным свечением.

Основными параметрами СИД являются:

- постоянное прямое напряжение Uпр [B],

- максимальный прямой ток Iпр мак [мА],

- максимально допустимое обратное напряжение Uоб мак [B],

- полная мощность излучения Pполн [мВт],

- яркость свечения диода при максимальном прямом токе В [кд/м²].

Рис.15. Включение светодиода.

Помимо применения СИД в качестве индикаторов они часто используются в оптронах.

На рис. 15 приведён пример включения светодиода для индикации положительной полуволны импульсного источника сигнала U(t). Если амплитуда сигнала больше Uпр обязательна установка добавочного резистора Rд для ограничения тока через диод. Величина этого резистора определяется выражением , где Ua — амплитуда сигнала, Iпр — прямой ток СИД, который может быть менее максимально допустимого прямого тока.

Фотодиоды.

Фотодиод представляет собой фотогальванический приёмник излучения, чувствительный элемент которого является полупроводниковым диодом. Освещение перехода каким либо излучением эквивалентно дополнительному энергетическому воздействию и приводит к дополнительному переходу неосновных носителей (электронов из p слоя в n слой и дырок из n слоя в p слой), что является увеличением обратного тока. Таким образом, при обратном включении фотодиода величина тока протекающего через диод пропорциональна его освещённости.

Рис.16. Основные схемы включения фотодиода.

Фотодиод можно включать в схемы, как с внешним источником напряжения, так и без него. Режим работы фотодиода с внешним источником называют фотодиодным, а без него — вентильным. В вентильном режиме за счёт перераспределения носителей заряда на выводах диода возникает э.д.с., величина, которой зависит от освещённости фотодиода. Однако вентильный режим используется редко, т.к. Э.Д.С. сильно зависит от температурного состояния перехода. Основные схемы включения приведены на рис.16 (а — фотодиодное, б — вентильное включения). Приняты обозначения: U — источник питающего напряжения, VD — фотодиод, R — резистор, определяющий ток в цепи, Uвых — выходное (пропорциональное освещённости) напряжение.

Основными характеристиками фотодиодов являются:

- максимальное рабочее напряжение Uрмакс[B] — постоянное напряжение, приложенное к диоду, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной работе,

- темновой ток Iт[A] — ток, протекающий по фотодиоду при заданном напряжении и отсутствии потока облучения p-n перехода, который является суммой теплового тока и тока утечки фотодиода,

- интегральная чувствительность Sинт [A/люкс]— отношение фототока к интенсивности немонохроматического излучения, облучающего p-n переход: ,

- световая характеристика Ivd =f(Ф) — зависимость фототока от величины светового потока при постоянном напряжении на диоде, представляющая практически линейную зависимость тока от светового потока мало зависящую от напряжении на диоде,

- спектральная характеристика показывает зависимость фототока от длины волны излучения, облучающего диод,

- вольтамперная характеристика Ivd=f(Uvd) — зависимость тока диода от напряжения на диоде при постоянной величине светового потока, при фотодиодном включении ток мало зависит от напряжения (но существенно от светового потока).

Туннельные диоды.

Полупроводниковые диоды у которых используется эффект туннельного переноса зарядов назвали туннельными и они обладают специфическими характеристиками, что обуславливает области их применения.

.   Рис. 17. ВАХ туннельного диода.

Рис.18.Туннельный диод.

Использование туннельных диодов в импульсных схемах позволяет получить импульсные сигналы с крутыми фронтами и спадами, так как увеличение тока через диод больше чем I1 приводит к резкому возрастанию напряжения на диоде от U1 до U3 и время затрачиваемое на это переключение минимально. Это связано с тем, что ток изменяется очень мало и этот процесс не связан с накоплением заряда. Следовательно в вычислительной технике туннельные диоды целесообразно использовать при токовом управлении (в цепи коллектора транзисторного ключа) для формирования импульсов с крутыми фронтами и спадами

На рис. 18 показано изображение туннельного диода, используемое на принципиальных электрических схемах электронных устройств.

Варикапы.

Имеется разновидность полупроводниковых диодов которые обычно используются при обратном смещении p-n перехода и выполняют роль управляемого конденсатора. Основные носители в слоях полупроводника имеют высокую концентрацию и при обратном смещении они собираются в области гальванической границы, между слоями образуется высокоомная зона. При малой величине обратного напряжения ширина высокоомной зоны мала, что соответствует малому расстоянию между обкладками конденсатора. При повышенном напряжении на переходе основные носители оттягиваются от гальванической границы, т.е. ширина высокоомной зоны увеличивается, что соответствует большему расстоянию между обкладками конденсатора. Обкладками такого конденсатора являются основные носители в слоях полупроводниковой структуры. Известно, что если при неизменной площади обкладок конденсатора увеличивается расстояние между обкладками, то емкость уменьшается. Таким образом, изменяя обратное напряжение на варикапе мы изменяем величину его емкости.

Рис. 19. Включение варикапа.

На рис. 19 показано включение варикапа в колебательный контур. На потенциометр подается управляющее напряжение, а величина напряжения на варикапе определяется положением движка потенциометра. Чтобы малое сопротивление катушки контура не шунтировало управляющее напряжение поставлена развязка по постоянному току в виде конденсатора С.

Частота колебаний определяется соотношением

, где , — емкость варикапа.

Лекция 4

Транзисторы.

Полупроводниковое устройство, предназначенное для преобразования электрических сигналов. По принципу организации проводимости транзисторы подразделяются на биполярные и униполярные (полевые).

У биполярных транзисторов проводимость организуется за счет использования, как электронов, так и дырок, т.е. частицы, как с отрицательным, так и с положительным зарядом. Поэтому такие транзисторы называют биполярными.

У полевых транзисторов проводимость организуется за счет носителей только одного типа носителей либо электронов, либо дырок. Если проводимость организуется электронами, то такой транзистор называют n - канальным, если же проводимость обусловлена дырками, то транзистор называют p - канальным.

Транзистор — трехэлектродное устройство, т.е. он имеет три вывода, но некоторые разновидности транзисторов имеют четыре вывода.

Биполярные транзисторы.

Биполярный транзистор построен на трехслойной структуре полупроводника и имеет два p-n перехода. Каждый слой металлизируется и к металлизации приваривается вывод, таким образом, получаем три электрода (вывода).

В зависимости от чередования слоев полупроводника биполярные транзисторы разделяются на две большие группы: n-p-n — транзисторы и p-n-p — транзисторы.

а б в

Рис.20. Структура и изображения биполярных транзисторов.

На рис. 20а приведена условная структура n-p-n транзистора, а на рис. 20б и в приведены рекомендуемые изображения соответственно n-p-n и p-n-p транзисторов. Если изображение взято в окружность, то в схеме используется локальный (отдельно выполненный) транзистор, если же окружности нет, то транзистор — элемент интегральной схемы.

Как видно на рисунке крайние слои полупроводника (n слои) имеют высокую концентрацию электронов и при прямом смещении инжектируют их в средний р слой. Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером, а слой, в который инжектируются неосновные носители, называют базой. При работе транзистора в линейном режиме только один переход смещен в прямом направлении, и поэтому только один вывод транзистора имеет обозначение Э — эмиттер. Вывод от среднего слоя имеет обозначение Б — база. Другой переход обычно смещен в обратном направлении и n слой этого перехода называют коллектор (собиратель) и его вывод обозначают — К. Если рассмотреть структуру, то можно обратить внимание на то, что относительно среднего слоя она симметрична. Эта особенность в принципе позволяет менять коллектор на эмиттер (инверсный режим работы биполярного транзистора). Однако у реальных конструкций транзисторов переход на инверсный режим не позволяет получить приемлемое качество работы, так как реальная структура несимметрична и различными технологическими приемами сформированы эмиттер и коллектор.