Полупроводниковые диоды

Размещено на http://www.allbest.ru

Лекция 2

Полупроводниковые диоды

Выпрямительные диоды

В выпрямительных диодах используется свойство односторонней проводимости p-n-перехода. Эти диоды предназначены для преобразования знакопеременного тока в знакопостоянный. Условное графическое обозначение выпрямительного диода показано на рис.1.8,а (клин указывает направление наибольшей проводимости).

Вольт-амперная характеристика реального диода несколько отличается от характеристики идеального p-n-перехода. На прямой ветви ВАХ выше точки 1 (см. рис. 1.7) отличие от экспоненты вызвано влиянием омического сопротивления областей полупроводника. В реальных полупроводниковых приборах чаще всего используются несимметричные p-n-переходы, у которых одна из областей, называемая эмиттером, имеет гораздо большую концентрацию примеси (меньшее сопротивление), чем другая, называемая базой (сопротивление базы у различных диодов составляет величину 1…30 Ом). Поэтому выше точки 1 форма ВАХ определяется суммарным сопротивлением p-n-перехода и базы. У реального диода обратный ток на участке ВАХ левее точки 0 (до точки электрического пробоя) состоит из суммы дрейфового тока и тока термогенерации пар электрон-дырка в самом p-n-переходе. Ток термогенерации, в отличие от , зависит от приложенного обратного напряжения. У кремниевых диодов ток термогенерации на несколько порядков больше тока , тогда как у германиевых диодов эти токи одного порядка, однако суммарный ток кремниевых диодов значительно меньше суммарного обратного тока германиевых диодов. Рабочим участком ВАХ выпрямительных диодов является участок правее точки .

Выпрямительные свойства диода характеризуются отношением обратного сопротивления к прямому . Чем это отношение больше, тем эффективнее выпрямительный диод выполняет свои функции. Однако при работе выпрямительного диода на высоких частотах или при быстрых переключениях кроме активных сопротивлений и необходимо учитывать также его емкостные сопротивления, которые могут значительно ухудшить выпрямительные свойства диода. Уменьшение сопротивления обратносмещенного p-n-перехода на высоких частотах объясняется наличием у него барьерной и диффузионной емкостей. Подобно плоскому конденсатору электронно-дырочный переход представляет собой систему из двух проводящих плоскостей (ионизированных атомов примесей), заряды которых равны, противоположны по знаку и разделены средой, близкой по своим свойствам к диэлектрику, причем при изменении приложенного напряжения изменяется и пространственный заряд. Это свойство p-n-перехода характеризуется барьерной емкостью . У высокочастотных и импульсных диодов барьерная емкость меньше 1 пФ, что достигается, прежде всего, за счет уменьшения площади p-n-перехода и увеличения его ширины. Диффузионная емкость характеризует процесс накопления неосновных носителей заряда в базе (как наиболее высокоомном слое) при протекании через переход прямого тока. При быстрых переключениях неосновные носители заряда, не успев рекомбинировать в базе, создают большой обратный ток, что аналогично действию конденсатора. Значение диффузионной емкости зависит от величины прямого тока (рис. 1.8,б) и сопротивления базы: чем меньше сопротивление базы, т.е. больше концентрация примеси, тем меньше время жизни электронов и меньше . В связи с этим минимальной диффузионной емкостью обладает переход полупроводник-металл (диод Шотки), поскольку время жизни электрона в металле минимально. Диоды Шотки имеют примерно такую же ВАХ, как и другие выпрямительные диоды, но у них , что в некоторых случаях оказывается важным.

Кроме выпрямительные диоды, как и другие полупроводниковые приборы, характеризуются электрическими параметрами номинального и предельного режимов работы.

Стабилитроны

У полупроводникового стабилитрона используется слабая зависимость напряжения на p-n-переходе от протекающего через него тока на участке электрического пробоя (рис. 1.9). Основным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации . У стабилитронов с малым напряжением стабилизации (до 5 В) имеет место туннельный пробой, а у стабилитронов с - лавинный (при напряжении стабилизации вблизи 5 В пробой определяется совместным взаимодействием туннельного и лавинного механизмов).

Рабочий участок ВАХ находится между уровнем , когда уже наблюдается устойчивый пробой, и уровнем , при котором температура p-n-перехода еще недостаточна, чтобы возник тепловой пробой. Качество стабилитрона оценивается дифференциальным сопротивлением в области рабочих токов (), которое чем меньше, тем лучше (у различных стабилитронов составляет единицы - сотни Ом). Не менее важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения стабилизации

или ,

показывающий насколько изменится напряжение стабилизации при изменении температуры на 1 градус. У стабилитронов с лавинным механизмом пробоя температурный коэффициент положительный (порядка 2 мВ/град), а у стабилитронов с туннельным механизмом пробоя - отрицательный.

Варикапы

Варикап - это полупроводниковый управляемый конденсатор. Свойство барьерной емкости p-n-перехода изменять свою величину под воздействием внешнего напряжения связано с наличием пространственного заряда в области p-n-перехода. Поскольку при увеличении обратного напряжения p-n-переход расширяется (что эквивалентно увеличению расстояния между пластинами плоского конденсатора), барьерная емкость уменьшается (рис. 1.10).

Основными параметрами варикапа являются: минимальная и максимальная емкости и , добротность Q и температурный коэффициент емкости

,

характеризующий величину относительного изменения барьерной емкости при изменении температуры на 1 градус. Температурный коэффициент получается наибольшим при нулевом значении обратного напряжения (порядка ), при увеличении он уменьшается (примерно в 10 раз при максимальном ). Сравнительно низкая добротность емкости варикапа (Q = 10…1000 в зависимости от рабочей частоты) объясняется невысокими диэлектрическими свойствами среды, разделяющей заряды разного знака, а также ненулевым значением сопротивления слоев полупроводника, образующих диод.

Туннельные диоды

Отличительной особенностью туннельного диода является высокая концентрация примесей в областях p- и n-типа, в связи с чем такой полупроводник вырождается в полуметалл. В вырожденном полупроводнике энергетические уровни примесных атомов образуют зоны, которые сливаются с соответствующими зонами областей p- и n-типа, в результате чего уровни Ферми , как и в металле, располагаются в разрешенных зонах: в валентной зоне p-полупроводника и в зоне проводимости полупроводника n-типа (рис. 1.11,а).

Так как p-n-переход туннельного диода имеет очень малую ширину, т.е. нижняя часть зоны проводимости и верхняя часть валентной зоны разделены узкой запрещенной зоной, то электроны имеют возможность переходить из одной области полупроводника в другую, как бы пронизывая узкую запрещенную зону, не преодолевая при этом потенциальный барьер. Это явление называется туннельным эффектом.

Поскольку уровень Ферми является границей распределения электронов и дырок по энергетическим уровням, в образовании тока через переход принимают участие в основном только те электроны, энергия которых ниже уровня Ферми, и только те дырки, энергия которых выше уровня Ферми. Для понимания принципа действия туннельного диода достаточно рассмотреть поведение носителей заряда только одного знака, например электронов (ход рассуждения относительно дырок будет аналогичным).

Если к p-n-переходу приложено нулевое внешнее напряжение, то потоки электронов из p-полупроводника в n-полупроводник и в обратном направлении одинаковы (рис. 1.11,а), и во внешней цепи ток отсутствует (точка а на вольт-амперной характеристике, изображенной на рис. 1.12). При подаче обратного напряжения (плюсом к n-области) уровень Ферми p-полупроводника () станет выше уровня Ферми n-полупроводника ( на рис. 1.11,б), поэтому поток электронов, проникающих по “туннелю” (“по горизонтали”) из p-полупроводника в n-полупроводник, резко увеличится (на большей глубине валентной зоны находится большее количество электронов), а поток электронов из n-полупроводника в p-полупроводник не изменится, в результате чего во внешней цепи потечет значительный обратный ток (точка б на графике рис. 1.12).

При увеличении от нуля прямого напряжения число электронов, проникающих из p-полупроводника в n-полупроводник, уменьшается, тогда как число электронов, двигающихся в обратном направлении, не изменяется, что приводит к появлению прямого тока, который увеличивается с ростом прямого напряжения. Прямой ток достигнет своего максимального значения (точка в на графике рис. 1.12), когда уровень Ферми n-полупроводника сравняется с потолком валентной зоны p-полупроводника (рис. 1.11,в). При дальнейшем увеличении прямого напряжения ток начнет уменьшаться, поскольку при отсутствии потока электронов из p- в n-полупроводник уменьшается поток электронов, туннелирующих в обратном направлении. Минимального значения прямой ток (точка г на графике рис. 1.12) достигнет тогда, кода дно зоны проводимости полупроводника n-типа сравняется с потолком валентной зоны полупроводника p-типа (рис. 1.11,г). При увеличении прямого напряжения правее точки г (рис. 1.12) запрещенная зона становится сквозной (рис. 1.11,д), туннельный переход носителей заряда прекращается, а увеличение прямого тока объясняется перемещением основных носителей заряда через p-n-переход путем преодоления потенциального барьера (рис. 1.11,д), т.е. участок характеристики правее точки г является диффузионным участком ВАХ туннельного диода.

Характерная особенность туннельного диода - наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок в-г), где с увеличением напряжения прямой ток уменьшается. Благодаря тому, что туннельный диод состоит из слоев полупроводника с очень высокой концентрацией примесей, он отличается высоким быстродействием, а также способностью работать при повышенных уровнях радиации и в широком диапазоне температур.

Фотодиоды

Фотодиоды могут работать как в режиме фотосопротивления при обратно смещенном p-n-переходе (рис. 1.13,а), так и в режиме генератора фотоЭДС (рис. 1.13,г). В режиме фотосопротивления и в отсутствии

диод сопротивление стабилитрон индикатор

освещения (световой поток Ц = 0) обратная ветвь ВАХ фотодиода (рис. 1.13,б) точно такая же, как и у выпрямительного диода. Протекающий при этом незначительный обратный ток, образованный неосновными носителями заряда, называется темновым током. Под действием светового потока (Ц > 0), падающего на p-n-переход, в нем происходит фотогенерация пар электрон-дырка, т.е. увеличение числа как основных, так и неосновных носителей заряда, причем в отношении последних это будет существенный рост, поскольку при Ц = 0 неосновных носителей заряда в p- и n-полупроводнике немного. Эти дополнительные неосновные носители заряда под действием приложенного к диоду обратного напряжения создадут во внешней цепи фототок, величина которого прямо пропорциональна световому потоку Ц (как это видно из световой характеристики, изображенной на рис. 1.13,в).

В режиме генератора фотоЭДС образовавшиеся в p-n-переходе под действием света свободные электроны будут втянуты полем p-n-перехода в n-область полупроводника, а дырки - в p-область, создавая на выводах фотодиода ЭДС, под действием которой во внешней цепи потечет ток. Световая характеристика в этом режиме будет линейной только при сопротивлении нагрузки (рис. 1.13,д), а при она искривляется, причем тем больше, чем больше сопротивление нагрузки.

Основным параметром фотодиода является чувствительность, определяемая как приращение фототока при изменении светового потока в 1 люмен (в режиме генератора фотоЭДС - при ).

Излучающие диоды

Процесс рекомбинации носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход сопровождается как выделением фононов, так и выделением фотонов. Соотношение между количеством фононов и фотонов зависит от исходного полупроводникового материала, а также типа и концентрации примесей (в качестве исходного полупроводника при изготовлении излучающих диодов используется арсенид галлия, фосфид галлия, а также соединения кремния).

Светодиод (излучающий диод) работает при прямом смещении p-n-перехода (рис. 1.14,а), когда прямой ток составляет величину порядка 10…50 мА (при этом напряжение светодиода, изготовленного на основе фосфида галлия, примерно равно 1,5 В, а напряжение электрического пробоя ). Основной характеристикой светодиода является яркостная характеристика (рис.1.14,б), определяющая зависимость светового потока Ц от протекающего через светодиод прямого тока I. Конструктивно светодиод выполняется таким образом, чтобы обеспечить вывод излучения с минимальными потерями. Распределение интенсивности излучения в зависимости от длины волны называется спектральной характеристикой. Излучающие диоды выпускаются как для видимой, так и для инфракрасной части спектра.

Светодиод используется не только в качестве индикатора, но и в качестве источника излучения оптрона (оптопары), приемником излучения которого могут быть фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор (на рис. 1.14,в приведена схема диодного оптрона). Преимуществом оптрона является отсутствие гальванической связи между входной и выходной цепями. Передаточная характеристика оптрона строится на основе характеристик источника и приемника излучения. В частности, при построении передаточной характеристики диодного оптрона необходимо для различных значений тока по яркостной характеристике светодиода (рис. 1.14,б) определить значения светового потока Ц, а по световой характеристике фотодиода (см. рис. 1.13,д) - значения тока фотодиода (на рис. 1.14,г приведено семейство передаточных характеристик диодного оптрона при различных сопротивлениях нагрузки , подсоединенной к его выходным зажимам).

Размещено на Allbest.ru