Учет дополнительных факторов, влияющих на вольт-амперную характеристику перехода

В проведенном анализе, позволяющем главным образом объяснить принцип действия p-n-перехода, не учитывались некоторые факторы, отражающиеся на его реальной вольт-амперной характеристике.

На прямую ветвь вольт-амперной характеристики перехода оказывает влияние объемное сопротивление слоев p-n-структуры (особенно при больших токах), увеличивающее падение напряжения ΔU_а на диоде. В кремниевых диодах это влияние более значительно, чем в германиевых, так как из-за меньшей подвижности носителей заряда удельное сопротивление кремния выше. С учетом падения напряжения в слоях в кремниевых диодах при протекании прямого тока ΔU_а = 0,8÷1,2 В, а в германиевых ΔU_а = 0,3÷0,6 В.

5. Барьерная и диффузионная емкости перехода. Переходные процессы в р-п-переходе

Емкость p-n-перехода равна сумме так называемых барьерной и; диффузионной емкостей.

Барьерная (или зарядная) емкость характеризуется сосредоточением по обе стороны границы раздела p- и n-слоев объемных зарядов, создаваемых ионами примесей. Физическим аналогом; барьерной емкости приближенно может служить емкость плоского конденсатора.

Наличие барьерной емкости проявляется протеканием тока через p-n-переход вследствие изменения объемных зарядов (а следовательно, ширины p-n-перехода) при изменении напряжения на переходе и определяется соотношением С_б = dQ / dU. Зарядная емкость возрастает с уменьшением толщины p-n-перехода, т.е. при снижении обратного напряжения. Она выше при прямых напряжениях, чем при обратных. Величина барьерной емкости зависит от площади p-n-перехода и может составлять десятки и сотни пикофарад. Зависимость барьерной емкости p-n-перехода от обратного напряжения используется в варикапах (параметрических диодах), применяемых в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряженном.

В отличие от барьерной емкости, определяемой шириной области объемного заряда p-n-перехода, диффузионнаяемкость обусловливается изменением суммарных зарядов неравновесных электронов и дырок соответственно слева и справа от p-n-перехода в результате изменения напряжения на нем (см. рис. 2.2, в). Так как эти заряды создаются за счет диффузии (инжекции) носителей через p-n-переход, диффузионную емкость следует учитывать при прямом напряжении смещения. В несимметричных p-n-переходах, для которых p_p >> n_n, диффузионная емкость определяется преимущественно суммарным зарядом неравновесных дырок в n-слое, величина которого изменяется при изменении прямого напряжения.

Величина диффузионной емкости зависит от протекающего через p-n-переход прямого тока и может составлять сотни и тысячи пикофарад, т.е. она существенно больше барьерной емкости. Таким образом, при прямых напряжениях смещения емкость p-n-перехода определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратных напряжениях, когда диффузионная емкость равна нулю, — барьерной емкостью.

6. Лавинный, туннельный и тепловой пробой в р-п-переходе.

На обратную ветвь вольт-амперной характеристики перехода оказывают влияние ток утечки через поверхность p-n-перехода и генерация носителей заряда, которая является причиной возможного пробоя p-n-перехода. Оба фактора приводят к тому, что обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода принимает вид, показанный на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики реальных переходов

Ток утечки связан линейной зависимостью с напряжением U_b.Он создается различными загрязнениями на внешней поверхности p-n-структуры, что повышает поверхностную электрическую проводимость p-n-перехода и обратный ток через переход. Эта составляющая обратного тока обусловливает появление наклонного участка 1—2 на характеристике диода (рис. 2.5).

Влияние генерации носителей заряда в p-n-переходе обычно сказывается при повышенных обратных напряжениях. Оно проявляется вначале в нарушении линейной зависимости изменения обратного тока от напряжения U_b (участок 2—3), а затем в резком возрастании обратного тока (участок 3—5), характеризующем пробой p-n-перехода.

В зависимости от причин, вызывающих появление дополнительных носителей заряда в p-n-переходе, различают электрический пробой и тепловой пробой. Электрический пробой, в свою очередь, может быть лавинным или туннельным. Рассмотрим эти виды пробоя.

Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей в p-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Он происходит следующим образом. Неосновные носители заряда, поступающие в p-n-переход при действии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответствующей напряженности электрического поля носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда — электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер.

Лавинный пробой возникает в широких p-n-переходах, где при движении под действием электрического поля носители заряда, встречаясь с большим количеством атомов кристалла, в промежутке между столкновениями приобретают достаточную энергию для их ионизации.

В основе туннельного пробоя лежит непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный ток через p-n-переход. Туннельный пробой развивается в узких p-n-переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля.

Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением почти вертикального участка 3—4 на обратной ветви вольт-амперной характеристики (рис. 2.5). Причина этого заключается в том, что небольшое повышение напряжения на p-n-переходе вызывает более интенсивную генерацию в нем носителей заряда при лавинном или туннельном пробое.

Оба эти вида пробоя являются обратимыми процессами. Это означает, что они не приводят к повреждению перехода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.

Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в p-n-переходе при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно и ввиду неоднородности p-n-перехода обычно носит локальный характер. Лавинообразное развитие теплового пробоя обусловливается тем, что увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка p-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя.

Тепловой пробой может произойти в результате перегрева отдельного участка p-n-перехода вследствие протекания большого обратного тока при лавинном или туннельном пробое (участок 4—5 на рис. 2.5). Тепловой пробой здесь является следствием недопустимого повышения обратного напряжения (перенапряжения). Велика вероятность наступления теплового пробоя при общем перегреве p-n-перехода ввиду ухудшения, например, условий теплоотвода.

В этом случае он может произойти при меньшем напряжении U_b, минуя стадии лавинного или туннельного пробоя.

Возможность теплового пробоя p-n-перехода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения U_{b доп}и температурного диапазона работы. Величина допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5÷0,8) U_пр.

7. Назначение и классификация полупроводниковых диодов. Общие параметры диодов.

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, имеющий два вывода.

В зависимости от области применения полупроводниковые диоды деля на следующие основные группы: выпрямительные, универсальные, импульсные, сверхвысокочастотные, варикапы, туннельные, обращенные, фото- и излучательные, стабилитроны.

По типу p-n-перехода различают полупроводниковые диоды плоскостные и точечные. Плоскостным называют p-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда. Система обозначений полупроводниковых диодов состоит из буквенных и цифровых элементов. Для диодов, разработанных после 1964 г., в качестве первого элемента обозначения используют букву или цифру, определяющую исходный материал, из которого изготовлен диод: «Г» или 1 — германий или его соединения, «К» или 2 — кремний или его соединения, «А» или 3 — соединения галлия. Вторым элементом служит буква, определяющая подкласс прибора (выпрямительные — «Д», стабилитроны — «С» и др.). После второго элемента идет число, характеризующее назначение прибора, номер разработки. Обозначение заканчивается буквами русского алфавита, характеризующими специальные параметры диода.

Система обозначений диодов, разработанных до 1964 г., состоит из двух или трех элементов. Первым элементом является буква «Д». Вторым элементом служит число, указывающее классификационную группу диода. Третьим элементом является буква, характеризующая разновидн6ость диода в данной группе.

Свойства полупроводниковых диодов оценивают параметрами. Различают общие параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, специальные параметры, присущие только отдельным диодам.

К общим параметрам диодов относят: допустимую температуру перехода, допустимую мощность, рассеиваемую диодом, допустимые прямой ток и обратное напряжение.

Когда через диод проходит ток, при заданном напряжении на диоде выделяется мощность P_{д =} UI. Выделение этой мощности сопровождается нагреванием диода, что приводит к росту обратного тока и увеличению вероятности возникновения теплового пробоя p-n-перехода. Для исключения теплового пробоя температура p-n-перехода должна быть меньше допустимой температуры перехода Т_{п max}. Как правило, эта температура для германиевых диодов составляет 70^°С, а для кремниевых — 125^°С. Выделяемая теплота рассеивается диодом в окружающую среду, имеющую температуру Т_ср.

Перепад температур между переходом средой определяется выражением

Т_п – Т_ср = R_тP_д, (3.1)

где R_т — тепловое сопротивление, характеризующее условия отвода теплоты от диода (конструкцию корпуса, наличие радиаторов и т.д.). Величина R_т определяется экспериментально и приводится в справочниках.

При допустимой температуре перехода на диоде выделяется допустимая рассеиваемая мощность P_дmax = (Т_{п max} – Т_ср) / R_т. Режим диода необходимо выбирать из условия UI ≤ P_{д max}.

Температура диода зависит от прямого тока. Прямой ток, при котором температура p-n-перехода диода достигает значения Т_{п max,} называют допустимым прямым током и обозначают I_{пр max}.

Важным параметром диодов является допустимое обратное напряжение U_{обр max}, при котором не происходит пробоя p-n-перехода. Обычно U_{обр max} ≤ 0,8U_проб.

Кроме вышеперечисленных, общими для всех диодов считаются параметры, определяемые по вольт-амперным характеристикам (рис. 3.1)

Рис. 3.1. Иллюстрация к определению приращений токов и напряжений
по вольт-амперной характеристике диода

Прямое и обратное сопротивления диода постоянному току выражаются следующими соотношениями:

r_пр = U_{пр 0} / I_{пр 0}; r_обр = U_{обр 0} / I_{обр 0}. (3.2)

Прямое и обратное дифференциальные сопротивления (сопротивления переменному току):

r_диф.пр = ; r_{диф.обр} = . (3.3)

8. Выпрямительные диоды

Выпрямительными называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Принцип действия выпрямительного диода основан на односторонней проводимости p-n-перехода. Условное графическое изображение выпрямительного диода приведено на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Графическое изображение выпрямительного диода