Вольтамперная характеристика p-n-перехода

Вольтамперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость прямого тока отпрямого напряжения и обратного тока от обратного напряжения (рис. 4, а). Эта характеристика имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную – в третьем квадранте. Прямой ток создается диффузией через p-n -переход основных носителей заряда. С увеличением U _пр от 0 до значения, равного U _к, ток I _пр растет медленно и остается очень малым. Это объясняется наличием потенциального барьера, который препятствует, несмотря на снижение, диффузии основных носителей заряда, а также большим сопротивлением области p-n -перехода, обедненной носителями заряда. С дальнейшим увеличением U _пр потенциальный барьер исчезает и прямой ток быстро нарастает. Это со-ответствует интенсивной диффузии через p-n -переход основных носителей заряда при отсутствии об-ласти перехода, обедненной ими.

Обратный ток создается дрейфом через p-n -переход неосновных носителей заряда. Поскольку кон-центрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток не-соизмеримо меньше прямого. При небольшом увеличении обратного напряжения от 0 обратный ток сначала возрастает до значения, равного величине теплового тока I _т, а с дальнейшим увеличением U _обр ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьша-ет результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, величина обратно-го тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного зна-чения, называемого напряжением пробоя U _{обр.проб}, приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.

Свойство p-n- перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электриче-ское сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.

На рис. 4, а пунктирной линией показано влияние повышения температуры на прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики p-n -перехода. Прямая ветвь при более высокой температуре рас-полагается левее, а обратная – ниже. Таким образом, повышение температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило,

Рис. 4 Вольтамперная характеристика p-n -перехода:

а –влияние температуры на прямой и обратный токи перехода; б –виды пробоя p-n -перехода(1 –лавинный, 2 –туннельный, 3 –тепловой)

б)

снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обрат-ного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциально-го барьера φ₀.

2.1.5 Пробой и емкость p-n -перехода

		I пр	мА			Как было сказано ранее, пробоем p-
			T 2	T 1	n -перехода называют резкое уменьше-
		T 2> T1				ние	обратного сопротивления,	вызы-
					вающее значительное увеличение тока
						при достижении обратным напряжением
						критического для данного прибора зна-
U обр.проб					чения U обр.проб. Пробой p-n -перехода
				происходит при повышении обратного
						напряжения вследствие резкого возрас-
U обр			0 U пр, В			тания процессов генерации пар свобод-
	T 1	T 2				ный электрон-дырка. В зависимости от
		I обр	мкА			причин, вызывающих дополнительную
				интенсивную генерацию пар носителей
		а)				заряда, пробой может быть электриче-
						ским и тепловым. Электрический про-
						бой в свою очередь делится на лавинный
						и туннельный.
						Лавинный пробой – электрический
						пробой p-n -перехода, вызванный лавин-
						ным	размножением носителей	заряда

₀ под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизаци-

ей атомов быстро движущимися неос-

^{1 2 3} новными носителями заряда. Движение

этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется элек-трическим полем в области p-n -перехода. При достижении определен-ной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию,

чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар электрон-дырка также ускоряется электрическим полем, и они, в свою очередь, участвуют в дальнейшей иониза-ции атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавино-образно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину p-n -перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке ме-жду двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на p -n -переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольт-амперной характеристики (см. рис. 4, б).

Туннельный пробой –это электрический пробой p- n -перехода,вызванный туннельным эффектом.Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристалличе-ской решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с очень узким p-n -переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. В результате генерации дополнительных неос-новных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на p-n -переходе при туннельном пробое остается постоянным (вертикальный

Рис. 5 Структура диода и направление тока через него при прямом напряжении

участок кривой 2 на рис. 4, б). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьша-ется.

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают p-n -переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при умень-шении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом p-n -пе-рехода,в результате которого про-исходит интенсивная генерация пар носителей заряда – разрушение ковалентных связей за счет тепло-вой энергии. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.

Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности p -n -перехода может пе-регреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогре-ваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок p- n -перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольтамперной характери-стике (кривая 3 рис. 4, б) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на p-n -переходе.

Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обрат-ного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделяемое в p-n -переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, на-пряжении.

Емкость p-n-перехода. Электронно-дырочный переход обладает определенной электрической ем-костью, складывающейся из двух емкостей: барьерной и диффузионной.

Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в p-n -переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь p-n -перехода и меньше его ширина. Ширина p- n -перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем боль-ше U _обр. Это используется в полупроводниковых приборах – варикапах, служащих конденсаторами пе-ременной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади p-n -перехода составляет десятки и сотни пикофарад.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе сто-

роны от p-n -перехода, где их концентрация в результате диффузии через p-n -переход велика, носит на-звание диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носите-лей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от ве-личины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутст-вует. Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обрат-ном – барьерную.

2.2 Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами. Упрощенная структура полупроводникового диода и его условное графическое обозначениепоказаны на рис. 5.

По конструкции полупроводниковые диоды разделяют на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды имеют плоскостной переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше его ширины. У точеч-ных диодов линейные размеры площади p-n- перехода очень малы и соизмеримы с его шириной. Точеч-

ный

p-n -переход создается

около

контакта

острия металлической пружины

с полупроводниковым кристаллом n -типа.

Точечные

диоды

имеют

+

p

n

малую

емкость

p-n -перехода

благодаря

–

его небольшим размерам. Они

могут работать в диапазоне высоких и

сверхвысоких

частот,

но

допускают только малые токи и неболь-

шие обратные напряжения.

Принцип действия выпрями-

I пр

тельных

диодов

основан на

свойстве

односторонней

электропро-

водности p-n -пе-рехода.

Если

к диоду

подвести переменное напряжение

(рис. 6), то в течение одного полупериода,

когда на аноде положительная полуволна, на p-n -пере-ходе действует прямое напряжение. При этом со-

U

+ U

t

~ U вx

V

= U вых

R н

t

–

Рис. 6 Применение диода для выпрямления переменного тока

протекает

большой

прямой

ток.

противление

диода

мало;

через

него

В

следующий

полупериод

полярность

напряжения

на

диоде

меняется

на

обратную. Его сопротивление значительно увеличивается; через него проходит очень малый обратный ток. Нагрузку R _н включают в цепь источника питания последовательно с диодом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном направлении, поскольку обратным током по сравнению с прямым можно пренебречь. Таким образом происходит выпрямление, т.е. преобразование переменного тока в постоянный по направлению (пульсирующий).

Схема выпрямления с одним диодом, в которой ток проходит через нагрузку в течение половины периода, является простейшей. На практике применяют более сложные схемы.

Вольтамперная характеристика диода представляет собой зависимость тока от величины и поляр-ности приложенного напряжения. Ее вид определяется вольтамперной характеристикой p-n -перехода. Реальные характеристики отличаются от идеальных из-за влияния различных факторов.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

прямое напряжение U _пр – значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе; обратный ток I _обр–значение постоянного тока,протекающего через диод в обратном направлении

при заданном обратном напряжении;

сопротивление диода в прямом направлении R = U _пр/ I _пр;оно составляет единицы и десятки ом; сопротивление диода в обратном направлении R = U _обр/ I _обр;оно составляет единицы мегаом;

дифференциальное сопротивление диода R _диф–отношение приращения напряжения на диоде к вы-звавшему его малому приращению тока: R _диф = ∆ U / ∆ I.

Прямое и обратное сопротивления – это сопротивления в данной точке характеристики при посто-янном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление – это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольтамперной ха-рактеристики к оси абсцисс.

При эксплуатации диодов в выпрямителях важное значение имеют предельно допустимые режимы их использования, характеризующиеся соответствующими параметрами. В целях обеспечения длитель-ной и надежной работы диодов нельзя превышать ни при каких условиях:

– максимально допустимое обратное напряжение u _обр.max;

– максимально допустимую мощность, рассеиваемую диодом P _max;

– максимально допустимый постоянный прямой ток I _пр.max;

– диапазон рабочей температуры: германиевые диоды работают в диапазоне температур от –60 до +70 °С, кремниевые – до +120 °С и более.

Кремниевые диоды имеют на несколько порядков меньший обратный ток, допускают гораздо большие обратные напряжения и плотности прямого тока, могут быть использованы при более высоких температурах. Поэтому выпрямительные диоды изготовляют главным образом из кремния, хотя паде-ние напряжения на кремниевом диоде при прямом токе больше, чем на германиевом.

Кроме рассмотренных выше выпрямительных диодов, предназначенных для выпрямления перемен-ного тока низкой частоты (f < 20 кГц), существует много других разновидностей диодов.

Высокочастотные диоды –универсальные приборы,работающие в выпрямителях очень широкогодиапазона частот (до нескольких гигагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных и предназначены для использова-ния в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах; помимо высокочас-тотных свойств должны обладать минимальным временем переходных процессов при переключении с прямой ветви вольтамперной характеристики на обратную и наоборот. В последнее время получили распространение диоды Шоттки [(по имени немецкого ученого В. Шоттки (W. Schottky)], действие

которых основано на свойствах контакта металл-полупроводник. Одно из преимуществ диодов Шотт-ки перед диодами с p-n- переходом – очень малая инерционность.

2.3 Стабилитроны

Стабилитроном называют полупроводниковый диод,вольтамперная характеристика которого име-ет участок малой зависимости напряжения от протекающего тока. Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения постоянного тока.

Принцип действия стабилитрона основан на использовании свойства p-n -перехода при электриче-ском пробое сохранять практически постоянную величину напряжения в определенном диапазоне из-менения обратного тока. Как было сказано при рассмотрении видов пробоя p -n -перехода, электриче-ский пробой является обратимым процессом и не приводит к выходу диода из строя при условии, что ток не превышает максимально допустимой величины.

Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона приведена на рис. 7. В стабилитроне ис-пользуется только обратная ветвь характеристики. Рабочим участком АБ является ее часть, соответст-вующая электрическому пробою и ограниченная минимальным и максимальным токами. В стабилитро-нах, как правило, присутствуют два вида пробоя – лавинный и туннельный; в низковольтных (с напря-жением стабилизации менее 6,5 В) преобладает туннельный, в высоковольтных (с напряжением стаби-лизации более 6,5 В) – лавинный.

Параметрами стабилитрона являются:

напряжение стабилизации U _ст–напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации I _ст; минимальный ток стабилизации I _{ст. min}–наименьший ток,при котором сохраняется устойчивое со-

I

	U
А	I ст.max

U ст

I ст

В

I ст.max

Б

Рис. 7 Обратная ветвь

Дата добавления: 2015-05-06