Плоскостной электронно-дырочный переход.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p-n -перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.

Если к p-n -переходу приложить внешнее напряжение, то под его действием в цепи возникнет электрический ток. При больших обратных напряжениях наблюдается скачкообразное увеличение обратного тока. Это явление называется пробоем p-n -перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя.

- - - + - + + - n - + - p - - - + - + +

p-n переход дырки

 

 

ē ионы

ВАХ p-n-перехода

 

 

p-n переход - область высокого сопротивления, потому что не имеет подвижных зарядов. Т.о. полупроводниковые диоды обладают односторонней проводимостью.

Напряжение смещенного p-n-перехода кремниевого диода = 0,6 В.

Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.

Электрический пробой является обратимый и используется в качестве рабочего режима при создании некоторых п/п приборов - лавинных диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов.

Лавинный пробой возникает при прикладывания к р-n -переходу высокого обратного напряжения. В этом случае неосновные носители могут приобретать в поле р-n -перехода настолько большую кинетическую энергию, что вызывают ударную ионизацию полупроводника, т.е., оставаясь в прежней энергетической зоне, носитель передает энергию носителю валентной зоны, переводя его в зону проводимости и создавая электронно-дырочную пару. Это приводит к лавинообразному нарастанию обратного тока.

Туннельный пробой возникает при меньших обратных напряжениях, чем лавинный, и обусловлен просачиванием неосновных носителей через барьер в зону, где они становятся основными носителями, за счёт туннельного эффекта.

Тепловой пробой возникает вследствие перегрева и разрушения р-n -перехода, протекающим через него током и является необратимым. Для его предотвращения нужно ограничить ток.

Р-n -переход обладает ёмкостью. Причем суммарная емкость состоит из барьерной и диффузионной:

С = С_бар+С_диф

Основное значение имеет барьерная ёмкость, которая возникает при приложении к р-n переходу обратного запирающего напряжения. Зависит от величины обратного напряжения и площади р-n -перехода и может достигать . Обкладки – р и n области, диэлектрик – p-n -переход. Использование барьерной емкости позволяет создавать конденсаторы с переменной емкостью, управляемой обратным напряжением. Такие приборы называются варикапами. Соотношение минимальной и максимальной емкостей может составлять 1:5.

C

с

Коэффициент перекрытия по ёмкости

Диффузионная ёмкость обусловлена накоплением заряда неосновных носителей при прямом смещении и рассасыванию его при обратном смещении. При прямом смещении ток в р-n - переходе в начальный момент представляет собой в основном ток заряда ёмкости С_диф. При обратном включении - обратный ток в начальный момент времени - ток перезаряда С_диф. С_диф оказывает существенное негативное влияние на быстродействие, является причиной появления сквозных токов в выпрямителях. Значение С_диф существенно больше, чем С_бар, но использовать её не удаётся, т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Параллельное и последовательное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные, лавинно-пролетные

 

Диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n -переходом и 2-мя выводами, с помощью которых он соединяется с внешней электрической цепью.

В основе классификации диодов лежат различные признаки:

· Вид электрического перехода (точечный, плоскостной);

· Физические процессы в переходе (туннельный, лавинно-пролетный);

· Характер преобразования энергии сигнала (фотодиод, светодиод, магнитодиод и т.д.);

· Диапазон рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ диоды);

· Конструктивно-технологические особенности (диффузионные, эпитаксиальные, Шотки и т.д.);

В курсе изучения электроники основное внимание будем уделять изучению диодов с точки зрения:

· Применяемого исходного материала для изготовления диодов: кремниевые, германиевые, селеновые и т.д.;

· Использованию нелинейных свойств p-n -перехода: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, импульсные.

На электронных схемах диоды обозначаются следующим образом:

 

Выпрямительный

 

Туннельный

 

 

Обращенный

 

Диоды являются полупроводниковыми приборами, которые пропускают ток в одном направлении. При прикладывании к диоду прямого напряжения («+» к аноду, а «-» к катоду), резко возрастает значение прямого тока, который во много раз больше обратного .

К основным статистическим параметрам диода относят прямое падение напряжения при заданном прямом токе , и постоянный обратный ток при заданном обратном напряжении .

Дифференциальное сопротивление диода характеризует динамические параметры и влияет на крутизну вольтамперной характеристики диода, т.е. само дифференциальное сопротивление зависит от приложенного напряжения и протекающего тока

 

 

 

Падение напряжения на отдельном диоде зависит от величины прямого тока и температуры и применяется в диапазоне для германиевых диодов, и для кремниевых .

Обратный ток , протекающий через диод, сильно зависит от температуры, и при некотором значении приближается к некоторому постоянному значению (с увеличением температуры происходит увеличение обратного тока).

Предельное значение температуры для германиевых диодов составляет ; кремниевых диодов .

В электрических схемах диоды включаются в цепь в прямом направлении. Е – напряжение источника питания. В практических схемах в цепь диода всегда включается какая-либо нагрузка, например, резистор. Такой режим работы диода называется рабочим. Его расчет производится по известным значениям и ВАХ диода. Расчет производится по формуле .

В формуле две неизвестных . Решение производится графически. На ВАХ диода накладывается прямая нагрузка, которая строится по 2-м точкам на осях координат при:

, т. А на рисунке.

, что соответствует т. Б.

Через эти точки проводим прямую, которая и является линией нагрузки. Координаты т. Т определяют рабочий режим диода.

Рабочий режим характеризуется следующими параметрами: - максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом; температурные параметры.

Рассмотрим группу полупроводниковых диодов, особенность работы которых связана с использованием нелинейных свойств p-n -перехода.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения низкой частоты () в постоянное. Они подразделяются на диоды

• малой ,
• средней
• большой мощности.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:

• Обратный ток при некотором значении обратного напряжения;
• Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод;
• Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;
• Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;
• Рабочий диапазон температур.

В рабочем режиме через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, вследствие чего температура перехода повышается. В установившемся режиме подводимая к переходу мощность и отводимая от него должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности , рассеиваемой диодом, т.е. . В противном случае наступает тепловой пробой диода.

Качество теплоотвода в диоде характеризуется параметром эксплуатационного режима – тепловым сопротивлением под которым подразумевается отношение разности температур электрического перехода и корпуса диода к мощности рассеиваемой на диоде установившемся режиме. Уменьшение позволяет при заданном значении увеличивать рабочую температуру перехода или при известном перепаде температур повышать прямые и обратные токи и напряжения диода. Это достигается применением специальных теплоотводов-радиаторов.

Для выпрямления высоких обратных напряжений применяются выпрямительные столбы, в которых диоды включаются последовательно.

Последовательное соединение диодов используется, если максимально допустимое обратное напряжение одного диода меньше напряжения, которое нужно выпрямить.

, где - число диодов; , - действующее значение; - коэффициент нагрузки.

, где 1.1 –коэффициент, учитывающий 10% разброс значений сопротивления по напряжению .

Из-за разброса этого параметра с тем, чтобы обратное напряжение более равномерно распределялось между диодами, диоды шунтируются резисторами с одинаковыми значениями сопротивлений, каждое из которых значительно наименьшего из обратных сопротивлений диодов, но достаточно большим, чтобы не вызвать рост обратного тока. Обычно это значение выбирается в пределах от нескольких десятков до сотен кОМ.

Например, U_н = 624В, а диод имеет следующие справочные данные: U_{обр max} = 400В, I_{обр max} = 5μА. Это параметры, которым должны удовлетворять все диоды данного типа, то есть наихудшие. Более качественный диод данного типа вполне может иметь меньший обратный ток (например, 1μА). Рассчитаем величину обратных соединений диодов:

R_{1 обр} = 80МОм

R_{2 обр} = 400Мом, при этом U_{1 обр} = 104В, U_{2 обр} = 520В> U_{обр max}, то есть второго, лучший диод выходит из строя.

Рассчитав по формуле = 8МОм и включив параллельно каждому из диодов резисторы, рассчитанного сопротивления, получим R^\_обр = 727Мом, при U^\_{1 обр} = 301В, U^\_{2 обр} = 323В< U_{обр max}.

Иногда в электрических схемах применяют параллельное соединение диодов для получения прямого тока, значение которого больше предельного значения тока одного диода.

Из-за разброса ВАХ диоды по току получают различную нагрузку. Поэтому для выравнивания значений токов, протекающих через них, применяют добавочные уравнительные резисторы, на которые падает излишнее напряжение. Практически параллельное соединение более 3-х диодов не применяется.

, где - среднее падение напряжения на диоде с прямым включением; Необходим ток для компенсации напряжения на втором диоде.

Например, есть диоды со следующими данными, взятыми из справочника.

Рассчитываем

Для другого, лучшего диода этого типа (на переходе падает 0,6В и 0,07 на p и n областях), а значит .

Получаем: и лучший диод выходит из строя.

и получаем . При этом

Дальнейшее увеличение R нецелесообразно, т.к. ведет к увеличению рассеиваемой на них мощности и уменьшения КПД выпрямителя.

 

Стабилитроны – полупроводниковые диоды, работающие на обратной ветви ВАХ в области, где изменение напряжения электрического пробоя слабо зависит от значения обратного тока и применяется для стабилизации напряжения.

 

Односторонний стабилитрон

Двусторонний стабилитрон

 

 

Основными параметрами стабилитронов являются:

U_ст - напряжение стабилизации при номинальном значении тока;

I_{ст min} - минимальный ток стабилизации, при котором возникает устойчивый пробой;

I_{ст max} максимальный ток стабилизации, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;

R_ст - дифференциальное сопротивление, характеризующее изменение напряжения стабилизации при изменении тока: R_ст =DU/DI

При рассмотрении ВАХ стабилитрона видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. При обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении.

Принцип работы поясняет схема параметрического стабилизатора напряжения. Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором R_огр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резистора должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки. Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно, и на нагрузке, будет оставаться постоянным.

При напряжениях меньше 7В имеет место полевой (туннельный) пробой, больше 15В - лавинный пробой, от 7 до 15В - смешанный пробой. Пробои в стабилитронах обратимы.

В схемах со стабилитроном должен быть ограничивающий резистор.

Динамическое сопротивление, определяющее качество стабилитрона: (чем меньше, тем лучше)

Статическое сопротивление:

Коэффициент качества: =0,01 – 0,05

Температурный коэффициент напряжения: ТКН = (0,2 – 0,4%)/°С

Недостаток стабилитрона: при малых токах стабилизации <3 мА увеличивается и существенную роль играют шумы.

 

Стабисторы - это полупроводниковые диоды, аналоги стабилитронов, но в отличие от последних у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжение мало зависит от тока в некоторых пределах. Напряжение стабилизации стабисторов обычно не более 2 вольт, чаще всего 0,7 В при токе до нескольких десятков мА. Особенность стабисторов - отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН при условии непревышения тока самого слаботочного из них

Напряжения при этом складываются. Согласное параллельное включение не используется. Встречное параллельное и последовательное включение позволяет получить при необходимости разные уровни ограничиваемого напряжения для разных полярностей переменного тока, протекающего через нагрузку.

 

Варикапы - п/п нелинейный управляемый конденсатор. Диффузионная ёмкость в связи с её зависимостью от температуры и частоты, а главное с тем, что она шунтирована низким сопротивлением прямосмещённого р-n перехода использовать не представляет возможным. Барьерная ёмкость при обратном смещении р-n перехода широко используется. В качестве варикапов можно использовать стабилитроны с напряжением ниже напряжения стабилизации, когда обратный ток еще очень мал, а обратное сопротивление очень велико.

Добротность:

 

Применяют в электронных устройствах для настройки частоты параллельных колебательных контуров, в избирательных усилителях и генераторах (например, с целью выбора телевизионных и радиопрограмм).

 

Туннельные диоды – диоды, в основе которых использован туннельный эффект. Любой двухполюсник, имеющий на ВАХ участок отрицательного дифференциального сопротивления, может использоваться как усилитель или генератор, но не оправдали надежд, так как подвержены временной деградации.

 

 

Обращенные диоды – разновидность туннельных, не имеющие на ВАХ участки отрицательного дифференциального сопротивления, используются для выпрямления малых сигналов (за счет большой крутизны обратной диодной характеристики).

 

Диод Шотки – диод, полученный путём металлизации p-проводника. У него отсутствует С_диф, что позволяет увеличить быстродействие диода на порядок, имеет малое прямое напряжение
(U_пр < 0,3В), но имеет большие обратные токи (сотни мА) и малое пробивное напряжение (<200В).

 

В качестве генераторных и усилительных диодов на СВЧ могут так же использоваться лавинно-пролетные диоды и диоды Гана, которые в последнее время были вытеснены арсенид галлиевыми СВЧ полевыми транзисторами за счет их лучших шумовых и усилительных характеристик.

 

Беспереходные полупроводниковые приборы. Терморезисторы (термисторы, позисторы, терморезисторы с косвенным подогревом), варисторы, тензорезисторы, магниторезисторы, датчик Холла, основные характеристики. Области их применения

Полупроводниковым резистором называется полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электрического сопротивления проводника от напряжения, температуры, освещенности и других управляющих параметров.

Терморезисторы - приборы, в которых используется R = f(T).

Термистор – терморезистор с отрицательным ТКС - выполняют функцию защиты выпрямительных импульсных блоков питания от больших зарядных токов конденсаторов, фильтров при включении.

Позистор – терморезистор с положительным ТКС – используются для уменьшения тока через петлю размагничивания кинескопов мониторов и телевизоров через несколько секунд после включения.

Терморезисторы используются так же для измерения температуры, для поддержания температуры в заданных пределах, в системах автоматической регулировки усиления; терморезисторы с косвенным подогревом используются для гальванической развязки двух цепей в системах автоматизации и управления.

Варистор – п/п резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Используется для защиты входных и выходных цепей электронных устройств, а так же ЛЭП от кратковременных всплесков напряжения. В отличие от стабилитронов рассеивает в своем объеме большую импульсную мощность (в стабилитроне – только в узкой области p-n-перехода).

 

 

Тензорезистор - п/п резистор, сопротивление которого зависит от механической деформации. Бывают проволочные, фольговые, полупроводниковые. При механической деформации появляются дополнительные энергетические уровни в запрещенной зоне и уменьшается сопротивление п/п.

Недостаток: низкая температурная и стабильность.

Достоинства: высокая чувствительность.

 

Используются для измерения деформаций, сил и моментов сил.

Датчик Холла.

Если п/п поместить в магнитное поле и пропустить ток, перпендикулярно этому полю, то согласно правилу левой руки на заряд будет действовать сила, отклоняющая их. В собственном (беспримесном) полупроводнике ЭДС Холла возникает за счет большой подвижности электронов, хотя заряды отклоняются в одну и ту же сторону. Применяется для исследования полупроводников, измерения магнитных полей, во всевозможных датчиках механического перемещения.

Магниторезистор образуется при введении в датчик Холла металлических перегородок. Тогда увеличивается путь носителя заряда, что эквивалентно увеличению электрического сопротивления. Используется аналогично датчику Холла (кроме исследования полупроводников).