Характеристики полупроводниковых диодов

Односторонняя проводимость p-n-перехода используется в ПП диодах. Диодом называется устройство, проводящее ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт, или заперт). Показать схематическое изображение диода, обозначить А и К.

Поведение диода в электрической схеме на низких частотах полностью определяются его ВАХ (рис. 3.1).

Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях U_AK. Приближенно свойства диода в открытом состоянии характеризуются значением прямого падения напряжения U_пр при определенном токе, чаще всего предельно допустимом, но иногда берется (0,1 – 0,2) I_макс. Для германия U_пр находится в пределах от 0,2 до 0,4 В, для кремния – от 0,5 до 1 В.

Характеристику диода можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции

(3.1)

где I_s – теоретический обратный ток (ток насыщения, тепловой ток), вызванный неосновными носителями заряда;

φ_T = kT/e₀ – температурный потенциал;

k = 1,38∙10^-23 Дж/Кл – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура, °К;

e₀ = 1,6∙10^-19 Кл – заряд электрона.

При комнатной температуре φ_T ≈ 25 мВ.

При отрицательных напряжениях более 0,1 В экспонентой по сравнению с 1 можно пренебречь (е^–4 ~ 0,02), при положительных напряжениях более 0,1 В можно пренебречь единицей (е⁴ ~ 55), поэтому ВАХ при удалении от 0, может описываться упрощенными выражениями:

обратная ветвь I = – I_s; прямая ветвь

Как видно, ВАХ зависит от температуры: 1) из-за φ_T ; 2) I_s имеет квадратичную (или в степени 1,5) зависимость от Т. Ориентировочно можно считать, что обратный ток удваивается каждые 10°С; прямое напряжение уменьшается (говорят, имеет отрицательный ТКН) на 2 мВ/°С.

Следует отметить, что формула (3.1)описывает идеальную ВАХ
p-n-перехода. Она не учитывает рекомбинационно-генерационные процессы, происходящие в объеме и на поверхности кристалла. Не учитывается также явление пробоя. Рассмотрим эти отличия реальной ВАХ от идеальной более подробно.

В реальном p-n-переходе при обратном напряжении происходит генерация пар электрон – дырка, образующая ток генерации. Причем с увеличением обратного напряжения растет толщина p-n-перехода, а, следовательно, и количество генерируемых пар. Поэтому с возрастанием обратного напряжения одновременно возрастает и обратный ток.

Поверхность ПП-кристалла характеризуется нарушениями кристаллической решетки и различными загрязнениями, что приводит к появлению дополнительного тока – тока утечки. Поэтому обратный ток реального диода значительно больше величины I_s .

Реальные обратные токи германиевых диодов больше обратных токов кремниевых диодов примерно на 3 порядка.

При определенном значении обратного напряжения начинается резкое нарастание обратного тока (см. на рис. 3.1). Это явление называется электрическим пробоем p-n-перехода. Существует три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

Туннельный пробойвызывается туннельным эффектом – это прохождение частицы сквозь потенциальный барьер, когда её энергия Е меньше высоты барьера U₀. В классической физике частица не может пройти сквозь барьер, так как это нарушает закон сохранения энергии. Однако в квантовой физике частица не движется по какой-либо определенной траектории, и можно говорить лишь о вероятности нахождения частицы в определенной области пространства. Необходимые условия туннельного пробоя: малая ширина потенциального барьера, наличие заполненных уровней с той стороны барьера, откуда происходит туннелирование, и наличие свободных уровней с такой же энергией с противоположной стороны. Такие условия соблюдаются в p-n-переходах на основе сильнолегированных материалов. В случае приложения достаточно большого обратного напряжения электроны из p-области будут туннелировать в n-область.

Лавинный пробой обусловлен ударной ионизацией атомов ПП в области p-n-перехода под действием сильного электрического поля. Если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, то при этом рождаются новые пары электрон – дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов. В случае когда одна начальная пара носителей заряда провоцирует появление больше одной пары новых носителей, процесс ионизации развивается лавинообразно.

Тепловой пробойвозникает вследствие нарушения теплового баланса, когда количество тепла, которое выделяется в p-n-переходе во время прохождения обратного тока, становится больше количества тепла, которое отводится от него. Во время прохождения обратного тока в p-n-переходе выделяется мощность, что приводит к некоторому увеличению его температуры. В свою очередь, увеличение температуры вследствие термогенерации носителей приводит к увеличению обратного тока. Одновременно с повышением температуры увеличивается теплоотдача. Если конструкция диода и теплоотвод способны передать в окружающую среду выделяемое тепло, то в p-n-переходе устанавливается постоянная температура, и обратный ток стабилизируется. В противном случае температура продолжает расти, вследствие чего растет обратный ток, вызванный тепловой генерацией электронно-дырочных пар. Это приводит к дальнейшему росту выделяемой мощности. Возникает положительная обратная связь, тепловой режим перехода теряет устойчивость, обратный ток перехода и температура лавинообразно растут, возникает тепловой пробой. Так как в участке перехода значительно увеличивается концентрация носителей, его сопротивление падает, вследствие чего уменьшается спад напряжения на переходе. На обратной ветке ВАХ появляется отрезок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тепловой пробой приводит к термическому разрушению p-n-перехода и выводу прибора из строя. Для германиевых диодов I_обр больше, чем для кремниевых, поэтому вероятность теплового пробоя у германиевых диодов выше. Максимальная температура перехода для кремниевых диодов выше, чем для германиевых (соответственно 75...90 °С против 150...200 °С).

Если ограничить обратный ток во время туннельного и лавинного пробоев, то пробой является обратимым: при уменьшении обратного напряжения запертое состояние перехода восстанавливается. Если же в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой. Тепловой пробой необратим, так как разрушает переход.

Прямая ветвь ВАХ реального диодатакже отличается от ВАХ идеального p-n-перехода. Это объясняется тем, что выражение (3.1) не учитывает влияния объемного сопротивления диода.

Динамические характеристики диода

Диод имеет емкость, которая в общем случае определяется по формуле C = dq/du. Емкость диода зависит от полярности и величины внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость обусловлена наличием двойного слоя противоположных по знаку неподвижных объемных зарядов. Она называется барьерной (или зарядной). Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения приведена на рис. 3.2. Диапазон значений барьерной емкости при малом обратном напряжении лежит в пределах от 0,5 пФ для ВЧ диодов до 20 пф для НЧ диодов.

Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на переходе, однако она шунтируется низким сопротивлением открытого перехода. При прямом смещении перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая возникает вследствие накопления носителей в объеме ПП. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости можно определить как

где I – прямой ток диода, τ_р – время жизни неосновных носителей.

В результате наличия диффузионной емкости при скачкообразном приложении обратного напряжения возникает переходный процесс (рис. 3.3). Когда диод проводит ток, в объеме ПП накапливаются неосновные носители. Если к диоду приложить обратное напряжение, то неосновные носители будут рассасываться. Обратный ток через переход достигнет нормального значения тока утечки лишь тогда, когда этот процесс полностью закончится. Максималь­ный обратный ток определяется приложенным обратным напряжени­ем и сопро­ти­вле­нием цепи. Заштрихован­ная область показывает накопленный заряд.