Аналоговая электроника

Полупроводниковый диод

Полупроводниковым диодом называется прибор, выполненный либо созданием контакта двух полупроводников с разным типом проводимости (p-n перехода), либо на основе контакта металлаи полупроводника (барьера Шоттки), обладающий односторонней проводимостью. Схемы этих приборов показаны на рис.7.

Рис.7. Схемы структуры полупроводниковых диодов на основе p-n перехода (а) и контакта металл-полупроводник (б). Индексы n и p на схемах обозначают тип проводимости полупроводника: электронный и дырочный соответственно.

В этих структурах в месте контакта образуется потенциальный барьер j_b, рис.8.

Рис.8. Энергетические диаграммы p-n перехода (а) и контакта металл-полупроводник (барьера Шоттки) (б). F – уровень Ферми – уровень энергии, соответствующий средней энергии свободных носителей заряда.

Для того, чтобы через диод пошел ток, необходимо понизить потенциальный барьер. Это осуществляется приложением к выводам диода разности потенциалов плюсом к p-области и минусом к n-области (для представленной схемы контакта металл - полупроводник отрицательный потенциал прикладывается к полупроводнику, положительный – к металлу). Такое включение диода называется прямым. При понижении барьера происходит диффузия электров из n - области в p – область и дырок из p – области в n – область (либо электронов из полупроводника в металл). В процессе диффузии носители заряда рекомбинируют и возникает рекомбинационный ток, рис.9.а.

Рис.9. Схема механизма образования прямого тока (а) и обратного тока (б).

При обратном включении, рис.9б, когда отрицательный потенциал прикладывается к p-области, а положительный - к n-области, потенциальный барьер повышается и переход через него носителей заряда становится мало вероятным. В этом случае ток через диод определяется дрейфом неосновных носителей заряда в p-n переходе, концентрация которых, согласно выражению (1) чрезвычайно мала, по этой причине мал и обратный ток (реально меньше 100 нА). В контакте металл-полупроводник обратный ток определяется концентрацией электронов n_s металла над барьером, которая равна

. (5)

Аналитическая зависимость тока диода I от напряжения U имеет вид:

(6)

где I₀ – ток насыщения; этот ток в реальных диодах приблизительно равен обратному току; U_D - падение напряжения на диоде.

Основными параметрами полупроводникового диода являются: прямое падение напряжения при заданном прямом токе – U_ПР, максимально допустимый прямой ток – I_{пр max}, максимальное обратное напряжение – U_обр, максимальный обратный ток – I_{обр max}. Прямое падение напряжения для диодов на основе кремниевого p-n перехода около 0.7 - 1.2 В.

Максимальное обратное напряжение для различных выпрямительных диодов имеет значение от десятков воль до сотен вольт. Обратное напряжение высоковольтных диодов достигает 1000 В. Величина обратного напряжения ограничивается пробоем p-n перехода, когда напряженность электрического поля в нем достигает таких значений, при которых обратный ток резко возрастает. Механизмы пробоя будут рассмотрены далее.

Максимально допустимый прямой ток ограничивается температурой нагрева диода от выделяемой мощности в p-n переходе, т.е. допустимой рассеиваемой мощностью.

Основной характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ), рис.10, аналитическая зависимость которой описывается функцией (1).

Рис.10. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода в линейных координатах (а) и в полулогарифмических координатах (б)

Вольт-амперная характеристика в полулогарифмических координатах удобна для анализа физических процессов в диоде при протекании в нем тока. Для технических целей используют ВАХ в линейных координатах.

При больших напряжениях обратного смещения в диоде может развиться пробой – резкое увеличение обратного тока при незначительном изменении напряжения. Различают три основных механизма пробоя: лавинный, тепловой, туннельный.

При лавинном пробое электроны в электрическом поле p-n перехода приобретают энергию, достаточную для ионизации собственных атомов полупроводника. Это приводит к лавинному размножению носителей заряда, резкому увеличению их локальной концентрации и соответственно тока.

Тепловой пробой развивается в результате локального разогрева области p-n перехода, и как следствия, увеличения концентрации носителей заряда. Тепловой пробой является необратимым, после которого диод теряет свои свойства и работоспособность. После развития лавинного пробоя диод не теряет свою работоспособность. Этот вид пробоя используется в полупроводниковых стабилитронах, о свойствах которых будет сказано в отдельной главе.

Туннельный пробой является основным механизмом образования тока в туннельных диодах, которые используются для генерации СВЧ колебаний. Этот вид пробоя наблюдается в полупроводниковых диодах, p – и n – области которого сильно легированы (до 10¹⁹ см^-3). Электроны в таком p-n переходе проходят сквозь барьер, что связано с квантовыми свойствами электронов.

На рис.11. показана схема включения полупроводникового диода в цепи постоянного тока.

Рис.11. Схема включения полупроводникового диода в цепь постоянного тока

При показанном включении по цепи протекает прямой ток. Его величина и падения напряжений на диоде и резисторе могут быть определены как аналитически, так и графически. Аналитическое решение в явном виде не может быть получено, так как это нелинейная цепь. Наиболее простой – графический метод.

Резистор и диод включены последовательно и ток, протекающий через них I одинаковый. Суммарное падение напряжения на них равно величине источника ЭДС.

; (7)

; (8)

(9)

Следовательно, графическим решением этой системы уравнений будет точка пересечения двух графиков, которые описываются один линейным уравнением ВАХ резистора (8), второй – нелинейным уравнением ВАХ диода (9).

Порядок графического решения этой системы следующий. На горизонтальной оси напряжений в соответствующем масштабе, рис.12, откладывается отрезок, равный величине Е. На оси токов в соответствующем масштабе откладывается отрезок, равный величине максимально возможного тока в цепи, ограниченного сопротивлением резистора . Между концами этих отрезков проводится прямая линия, соответствующая графику (3). Отсчет напряжения на резисторе на графике ведется от Е к началу координат. Вольт-амперная характеристика диода строится из начала координат.

Из точки пересечения этих графиков опускаются перпендикуляры на оси токов и напряжений. На оси токов перпендикуляр отсекает отрезок, в выбранном масштабе отсекающий отрезок, соответствующий величине тока, протекающего через диод и резистор. На оси напряжений опущенный перпендикуляр делит отрезок Е в выбранном масштабе на две части: пропорциональный U_D и U_R.

Рис.12. Графическое определение режимов элементов цепи постоянного тока с полупроводниковым диодом

При обратном включении ток через диод не зависит от напряжения на нем (см. выражение (5)):

(10)

Поэтому U_R<<U_D»E. Т.е. при обратном включении практически все напряжение источника ЭДС падает на диоде, а напряжение на резисторе равно нулю.

В отличие от вакуумных диодов, где поток эмиссии определяется температурой катода, в полупроводнике поток эмиссии определяется степенью легирования одной из областей p-n перехода. Как было сказано, степень легирования может достигать 10¹⁹ см^-3, что достаточно для большого эмиссионного потока. Кроме того, регулирование высоты потенциального барьера в p-n переходе осуществляется напряжением меньшей величины, так как прикладываемое к диоду напряжение практически полностью падает на тонкой области p-n перехода (порядка 1 мкм). Вследствие чего в этой области создается большое электрическое поле при малых напряжениях смещения.

По указанным причинам полупроводниковый диод не имеет накальной цепи, обладает малыми габаритами и высоким коэффициентом преобразования электрической энергии.

Дата добавления: 2015-05-06