Статический режим полупроводникового диода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статический режим полупроводникового диода

Устройство диода

Полупроводниковым, диодом называется двухэлектродный прибор, основу которого составляет р-n-структура, состоящая из областей р-типа и n-типа, разделенных электронно-дырочным переходом (рис. 2.1). Одна из областей р-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда *, чем другая область, называемая базой.

База и эмиттер с помощью электродов Э, образующих омические переходы, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается в электрическую цепь.

Основным структурным элементом полупроводникового диода, определяющим его функциональные свойства, является р-n-переход - тонкий промежуточный слой между р-n-областями, свойства которого были рассмотрены в 1.4. Для пояснения сказанного рассмотрим устройство и принцип изготовления сплавного германиевого диода. База диода представляет собой пластинку монокристаллического германия n-типа, легированного сурьмой (1014-1016 см-3). Эту пластинку с помещенным на ней кусочком индия нагревают в водородной среде. При температуре около 560°С индий плавится и германий частично растворяется в нем. В пластинке получается углубление, заполненное раствором. Далее начинается охлаждение. Поскольку в холодном индии растворимость германия меньше, при охлаждении германий рекристаллизуется (атомы его «пристраиваются» к решетке). При этом захватываются и атомы индия, в результате образуется слой германия р-типа с концентрацией акцепторной примеси до 1018 см-3.

После химической обработки, травления и промывки изготовленную р-n-структуру монтируют в герметичный металлический или пластмассовый корпус (рис. 2.2), обеспечивающий защиту ее от воздействия окружающей среды.

Прогрессивной разновидностью полупроводниковых диодов являются планарно-эпитаксиальные диоды (рис. 2.3). В этих приборах базу изготовляют путем наращивания на подложке 4 из низкоомного кремния тонкого слоя 3 высокоомного полупроводника, повторяющего структуру подложки. Этот слой, называемый эпитаксиальным, покрывают плотной защитной пленкой 2 двуокиси кремния SiO2 толщиной до 1 мкм. В пленке протравливают окно, через которое путем диффузии бора или алюминия создается р-n-переход 1, выход которого на поверхность оказывается сразу же надежно защищенным пленкой окисла.

Статическая вольт-амперная характеристика полупроводникового диода показана на рис. 2.4. Здесь же пунктиром нанесена теоретическая вольт - амперная характеристика электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением (1.57). Для наглядности обратная ветвь характеристики изображена в более крупном масштабе по току и в более мелком - по напряжению по сравнению с прямой ветвью. В области малых токов реальная и теоретическая характеристики совпадают. Но при больших прямых токах, а также при высоких обратных напряжениях характеристики расходятся, статические вольт-амперные характеристики диода что является следствием ряда причин, не учтенных при теоретическом анализе процессов в электронно-дырочном переходе.

В области больших прямых токов вследствие значительного падения напряжения на распределенном сопротивлении базы диода и сопротивлении электродов напряжение на электронно-дырочном переходе будет меньше напряжения U, приложенного к диоду, в результате чего реальная характеристика оказывается расположенной ниже теоретической и почти линейной.

Уравнение вольт-амперной характеристики в этой области можно записать в виде

I = Ioехр ч(U - гбI), (2.1)

где г6 -- электрическое сопротивление базы, электродов и выводов диода.

При повышении обратного напряжения обратный ток диода не остается постоянным, равным току экстракции Io, как следует из соотношения (2.57), а медленно увеличивается. Одной из причин роста обратного тока диода является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе соотношения (2.57). Составляющую обратного тока через переход, зависящую от числа генерируемых в переходе в единицу времени носителей заряда, условимся называть термотоком перехода Iт. С повышением обратного напряжения вследствие расширения перехода увеличивается его объем, поэтому число генерируемых в переходе носителей заряда и термоток перехода возрастают. Этот эффект особенно заметен в кремниевых диодах, имеющих малый ток экстракции Io< Iт.

Другой причиной роста обратного тока диода является поверхностная проводимость электронно-дырочного перехода, обусловленная молекулярными и ионными пленками различного происхождения, покрывающими выходящую наружу поверхность перехода.

Из-за нестабильности физико-химической структуры этой поверхности, подверженной влиянию окружающей среды, ток утечки по поверхности Iу нестабилен, что приводит к «ползучести» характеристик диода. В современных диодах поверхность перехода специально обрабатывают и защищают от внешних воздействий, поэтому ток утечки всегда существенно меньше термотока.

Таким образом, полный обратный ток диода

Iобр = Iо + Iт + Iу.

Сравнивая вольт-амперные характеристики кремниевого и германиевого диодов (рис. 2.5), отметим, что кремниевые диоды имеют существенно меньшую величину обратного тока вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. По этой же причине прямая ветвь характеристики у кремниевых диодов идет значительно правее, чем у германиевых.

На этом рисунке для наглядности масштаб по оси обратных токов взят более крупный, а за нулевое значение прямого тока диода принят порог чувствительности измерительного прибора Iпор, с помощью которого определяется этот ток. Поэтому характеристика прямого тока не проходит через нуль, а смещена относительно него на величину равную для германиевых диодов ~0,05 В, а для кремниевых диодов 0,5 В.

Влияние температуры на вольт-амперные характеристики. На вольт-амперные характеристики диода оказывает существенное влияние температура окружающей среды. Представленные на рис. 2.6 и 2.7 экспериментальные зависимости показывают, что при повышении температуры резко возрастает обратный ток перехода Iо6р, становится более крутой прямая ветвь характеристики.

Причина этих явлений заключается в сильной зависимости концентрации неосновных носителей заряда от температуры.

Например, в электронном полупроводнике концентрация дырок рn, согласно выражениям (2.4) и (2.8), с повышением температуры возрастает по экспоненциальному закону:

pn = (n/Nд) =(N/Nд) exp(- ?W/ kT)

Вследствие этого с повышением температуры резко возрастает ток экстракции электронно-дырочного перехода (2.59), так как величина его пропорциональна концентрации неосновных носителей заряда:

Io = (eПDppn)/Lp = (ПDpeNc2)/LpNд exp(- ?W/ kT)

или Iо = IТ exp(- ?W/ kT)

где IТ = (ПDpeNc2)/LpNд 2.5)

На величину IT температура практически не влияет, следовательно, ток экстракции Iо с повышением температуры увеличивается по экспоненциальному закону.

Зависимость прямого тока от температуры определяется соотношением, вытекающим из выражений (1.57) и (2.4):

I = Io exp eU/kT = IT exp (eU - ДW )/ kT (2.6)

В рабочем режиме eU < ДW, поэтому показатель экспоненты отрицателен и c повышением температуры прямой ток возрастает, а характеристика идет круче (смещается влево).

Влияние температуры более существенно в германиевых диодах, так как германий имеет меньшую ширину запрещенной зоны ДW, чем кремний.

Предельно допустимая температура диода. Максимально допустимое из схемотехнических соображений увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 - 100°С для германиевых диодов и 150 - 200°С для кремниевых диодов.

Минимально допустимая температура диода определяется теоретически энергией ионизации акцепторных и донорных примесей и достигает -200°С, практически из соображений климатической устойчивости ее устанавливают в пределах от -60 до -70°С.

Дифференциальные параметры полупроводникового диода. Дифференциальными параметрами полупроводникового диода называют величины, связывающие малые изменения тока диода с малыми изменениями независимых переменных. Отметим попутно, что дифференциальные параметры широко применяются для описания свойств не только диодов, но и других электронных приборов; они относятся к важнейшим показателям их качества, входящим в группу показателей назначения, в подгруппу функциональных параметров.

Ток в диоде фактически является функцией двух независимых переменных - электрического напряжения UI и температуры диода Т:

I = f(U, T),

поэтому дифференциал тока имеет две составляющие:

dI = (?I/?U)dU + ?I/?T)dT

Частные производные перед дифференциалами независимых переменных U и Т представляют собой дифференциальные параметры полупроводникового диода. Введем для них следующие обозначения:

S = I/U

SI(T) = I/Т

- дифференциальная температурная чувствительность тока диода, мА/°С или мА/К.

Кроме этих двух параметров широко используют еще один параметр, который можно ввести, положив в выражении (2.7) dI = 0:

SU(T) = U/Т

-- дифференциальная температурная чувствительность напряжения диода, мВ/°С или мВ/К.

Используя введенные обозначения, запишем соотношение (2.7) в виде

dI = SdU + SI(T) dТ

Рассмотренные параметры можно определить по вольт-амперным характеристикам диода, снятым для нескольких значений температуры. Знание этих параметров позволяет осуществить оптимальный выбор режима диода.

Пример 2.1. По вольт-амперным характеристикам кремниевого диода 2Д103А (см.рис. 2.6) определить для рабочей точки (Uпр=0,6 В при T = 200С параметры диода. Заменив в выражениях (2.8), (2.9), (2.10) бесконечно малые приращения независимых переменных их конечными приращениями, получим:

dI|T=const =15 -- 11= 4 мА, dU| I=const =0,7-- 0,54 = 0,16B,

dT| U=const =120 - 20 = 100°С,

S = 4/16=25мА/B, SI(T) =4/100 =0,04 мА/°C, SU(T) = 0,16/100 =1,6 мВ/°C.

Следует иметь в виду, что дифференциальные параметры характеризуют прибор только в заданной рабочей точке, а при изменении режима их величина существенно изменяется. Из выражения (1.57) следует, что

S = (e/kT)I.

e/kT = 1,6 10-19/1,38 10-23 300 ? 40 I/B, kT = 0,026 эB.

Отсюда

S = 40 I мA/В, SI(T) = (0.6-1.12)/(0,026 300) = 0,06I мА/ОС.

Размещено на Allbest.ru