Пробой и емкость p-n-перехода

 

Как было сказано ранее, пробоем p-n -перехода называют резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения U _{обр проб}. Пробой p-n -перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар свободный электрон-дырка. В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой в свою очередь делится на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой — электрический пробой p-n -перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется электрическим полем в области p-n -перехода. При достижении определенной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар электрон-дырка также ускоряется электрическим полем, и они в свою очередь участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину p-n -перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины

свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое

напряжение на p-n -переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольт-амперной характеристики (см. рис. 3.5.1, б).

Туннельный пробой – это электрический пробой p-n -перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с очень узким p-n -переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. В результате генерации дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на p-n -переходе при туннельном пробое остается постоянным (вертикальный участок кривой 2 на рис. 4, б). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается.

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают p-n -переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом p-n -перехода, в результате которого происходит интенсивная генерация пар носителей заряда – разрушение ковалентных связей за счет тепловой энергии. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.

Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности p-n -перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок p-n -перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольтамперной характеристике (кривая 3 рис. 4, б) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на p-n -переходе.

Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обратного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделяемое в p-n -переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.

Емкость p-n-перехода. Электронно-дырочный переход обладает определенной электрической емкостью, складывающейся из двух емкостей: барьерной и диффузионной.

Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в p-n -переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь p-n -перехода и меньше его ширина. Ширина p-n -перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем больше U _обр. Это используется в полупроводниковых приборах – варикапах, служащих конденсаторами переменной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади p-n -перехода составляет десятки и сотни пикофарад.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе стороны от p-n -перехода, где их концентрация в результате диффузии через p-n -переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутствует. Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном – барьерную.

 

 

Рисунок 3.5.1. Вольтамперная характеристика p-n-перехода: а) – влияние температуры напрямой и обратный токи перехода; б) – виды пробоя p-n-перехода (1– лавинный, 2 – туннельный, 3 – тепловой).

 

 

Полупроводниковые диоды

 

 

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами. Внешний вид, упрощенная структура полупроводникового диода и его условное графическое обозначение показаны на рисунках 3.6.1 - 3.6.2.

 

 

 

Рисунок 3.6.1.Упрощенная структурная схема, условное обозначение и направление прямого тока через диод.

 

Одно из основных предназначений диодов – выпрямление переменного тока. Принцип действия выпрямительных диодов основан на свойстве односторонней электропроводности p-n -перехода. Если к диоду подвести переменное напряжение (рисунок 3.6.3), то в течение одного полупериода, когда на аноде положительная полуволна, на p-n -переходе действует прямое напряжение. При этом сопротивление диода мало и через него протекает большой прямой ток. В следующий полупериод полярнсть напряжения на диоде меняется на обратную. Его сопротивление значительно увеличивается, через него проходит малый обратный ток. Обратным током через диод практически можно пренебречь, так как он во много раз меньше прямого. Таким образом, происходит выпрямление, т.е. преобразование переменного тока в постоянный по направлению (пульсирующий).

Схема выпрямления с одним диодом, в которой ток проходит через нагрузку в течение половины периода, является простейшей. На практике применяют более сложные схемы. По конструкции полупроводниковые диоды разделяют на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды имеют плоскостной переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше его ширины. У точечных диодов линейные размеры площади p-n- перехода очень малы и соизмеримы с его шириной. Внешний вид точечных диодов изображено на рисунке 3.6.4, их устройство на рисунке 3.6.5.

 

По конструкции полупроводниковые диоды разделяют на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды имеют плоскостной переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше его ширины. У точечных диодов линейные размеры площади p-n- перехода очень малы и соизмеримы с его шириной.

 

 

 

Рисунок 3.6.2. Внешний вид некоторых типов диодов.

 

 

Рисунок 3.6.3. Применение диода для выпрямления переменного тока.

 

 

 

 

Рисунок 3.6.4. Внешний вид точечных диодов.

 

Пластинка полупроводника соприкасается с заостренной на конце проволокой., которую закрепляют в диоде и создают большой ток. При этом проволока впаивается в полупроводник n–типа. На месте вплавления образуется p-n-переход. Из-за малой площади контакта прямой ток через такой прибор не велик. Однако, малая площадь p-n-перехода обладает малой собственной емкостью. Это свойство позволяет их использовать для выпрямления тока на высоких частотах.

У плоскостных диодов p-n-переход образуется двумя полупроводниками с разной. электропроводимостью. Внешний вид и упрощенное устройство плоскостных диодов представлено на рис. 3.6.5 - 3.6.6.

Вольтамперная характеристика диода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения. Ее вид определяется вольтамперной характеристикой p-n -перехода. Реальные характеристики отличаются от идеальных из-за влияния различных факторов. На рис. 3.6.7 изображена вольтамперная характеристика диода.

 

 

 

 

Рисунок 3.6.5. Устройство точечного диода.

 

 

 

 

Рисунок 3.6.6. Плоскостные диоды.

 

Обратная ветвь вольтамперной характеристики имеет три характерных участка. Участок I обусловлен обратным током p-n - перехода. На участке II ток резко возрастает, это участок лавинного пробоя. При снятии напряжения, ток в цепи падает и диод остается не поврежденным.. На участке III происходит тепловой пробой. При увеличении обратного напряжения растет ток через прибор. При этом, растет мощность выделяемая на диоде. Это приводит к росту температуры прибора. Повышение температуры влечет за собой увеличение тока, что опять приводит к росту температуры прибора. В конечном итоге, тепловой пробой влечет за собой разрушение кристалла и к выходу прибора из строя.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

прямое напряжение U _пр — значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе;

обратный ток I _обр — значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

 

Рисунок 3.6.7. Вольтамперная характеристика диода; 1-реального; 2-идеального.

 

 

сопротивление диода в прямом направлении R= U _пр /I _пр; оно составляет единицы и десятки ом;

сопротивление диода в обратном направлении R=U _обр /I _обр; оно составляет единицы мегаом;

дифференциальное сопротивление диода R _диф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока: R _диф =ΔU/ΔI.

Прямое и обратное сопротивления – это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление – это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольтамперной характеристики к оси абсцисс.

При эксплуатации диодов в выпрямителях важное значение имеют предельно допустимые режимы их использования, характеризующиеся соответствующими параметрами. В целях обеспечения длительной и надежной работы диодов нельзя превышать ни при каких условиях:

– максимально допустимое обратное напряжение u _{обр.макс};

– максимально допустимую мощность, рассеиваемую диодом P _макс;

– максимально допустимый постоянный прямой ток I _{пр.макс};

– диапазон рабочей температуры: германиевые диоды работают в диапазоне температур от –60 до +70 °С, кремниевые – до +120 °С и более.

Кремниевые диоды имеют на несколько порядков меньший обратный ток, допускают гораздо большие обратные напряжения и плотности прямого тока, могут быть использованы при более высоких температурах. Поэтому выпрямительные диоды изготовляют главным образом из кремния, хотя падение напряжения на кремниевом диоде при прямом токе больше, чем на германиевом.

Кроме рассмотренных выше выпрямительных диодов, предназначенных для выпрямления переменного тока низкой частоты (f <20 кГц), существует много других разновидностей диодов.

Высокочастотные диоды – универсальные приборы, работающие в выпрямителях очень широкого диапазона частот (до нескольких гигагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах; помимо высокочастотных свойств должны обладать минимальным временем переходных процессов при переключении с прямой ветви вольтамперной характеристики на обратную и наоборот. В последнее время получили распространение диоды Шоттки (по имени нем. ученого В. Шоттки (W. Schottky)), действие которых основано на свойствах контакта металл-полупроводник. Одно из преимуществ диодов Шоттки перед диодами с p-n- переходом – очень малая инерционность.

 

Стабилитроны

 

Стабилитроном называют полупроводниковый диод, вольтамперная характеристика которого имеет участок малой зависимости напряжения от протекающего тока. Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения постоянного тока. Внешний вид стабилитронов показан на рис. 3.7.1.

 

 

Рисунок 3.7.1.Стабилитрон и его схематическое обозначение.

 

Принцип действия стабилитрона основан на использовании свойства p-n -перехода при электрическом пробое сохранять практически постоянную величину напряжения в определенном диапазоне изменения обратного тока. Как было сказано при рассмотрении видов пробоя p-n -перехода, электрический пробой является обратимым процессом и не приводит к выходу диода из строя при условии, что ток не превышает максимально допустимой величины.

 

Рисунок 3.7.2. Обратная ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона.

 

Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона приведена на рис. 3.7.2. В стабилитроне используется только обратная ветвь характеристики. Рабочим участком АБ является ее часть, соответствующая электрическому пробою и ограниченная минимальным и максимальным токами. В стабилитронах, как правило, присутствуют два вида пробоя – лавинный и туннельный; в низковольтных (с напряжением стабилизации менее 6,5 В) преобладает туннельный, в высоковольтных (с напряжением стабилизации более 6,5 В) – лавинный.

Параметрами стабилитрона являются:

напряжение стабилизации U _ст — напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации I _ст;

минимальный ток стабилизации I _{ст. мин} – наименьший ток, при котором сохраняется устойчивое состояние пробоя;

максимальный ток стабилизации I _{ст.макс} – наибольший ток, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает максимально допустимого значения Р _макс; превышение I _{ст.макс} приводит к тепловому пробою p-n -перехода и выходу из строя стабилитрона;

дифференциальное сопротивление R _диф =ΔU _ст /ΔI _ст – отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока: R _диф определяется в рабочей точке B и характеризует точность стабилизации; чем оно меньше, тем лучше осуществляется стабилизация;

статическое сопротивление R _стат =U _ст /I _ст – сопротивление стабилитрона в рабочей точке при постоянном токе;

температурный коэффициент напряжения α_{U ст} показывает изменение в процентах напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1 °С.

Выпускаемые промышленностью кремниевые стабилитроны имеют напряжение стабилизации в пределах 3—200 В, минимальный ток от 1 до 10 мА, максимальный ток от 2 мА до 2 А, дифференциальное сопротивление 0,5—500 Ом.

Существуют полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения с использованием в качестве рабочего участка отрезка прямой ветви вольтамперной характеристики, на которой прямое напряжение слабо зависит от тока. Такой полупроводниковый диод носит название стабистора.

 

Варикапы

 

При подаче обратного напряжения любой p-n -переход представляет собой конденсатор, диэлектриком которого служит высокоомный обедненный слой с низкой концентрацией носителей заряда, а электродами – слои полупроводникового материала по обе стороны от него, сохраняющие высокую проводимость. Емкость такого конденсатора, являющаяся барьерной емкостью p-n-перехода, определяется обратным напряжением U _обр и уменьшается с его ростом, так как обедненный слой расширяется, что равносильно увеличению расстояния между электродами. Зависимость емкости варикапа от приложенного к нему напряжения описывается так называемой вольтфарадной характеристикой.

Полупроводниковые диоды, основанные на использовании управляемой барьерной емкости, называют варикапами Внешний вид варикапов, условное обозначение и вольтфарадная характеристика представлены на рис. 3.8.1 – 3.8.2.

 

 

 

Рисунок 3.8.1. Внешний вид варикапов

 

 

 

Рисунок 3.8.2. а) – условное обозначение варикапа, б) – вольт-фарадная характеристика варикапа.

 

Основными параметрами варикапов являются:

емкость С_В, которая измеряется при определенном U _обр, обычно 4 В, и составляет от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад;

коэффициент перекрытия по емкости К_С, который лежит в пределах от 2 до 18 и представляет собой отношение максимальной емкости С_{В макс} к минимальной С_{В мин}, измеренной при напряжении, близком к максимально допустимому.

Варикапы используют, главным образом, для управления колебательными контурами в системах автоподстройки частоты радио- и телевизионных приемников, а также в возбудителях передатчиков с частотной модуляцией и параметрических усилителях, работающих в диапазоне СВЧ.