P-n-переход в равновесном состоянии

Электроны в n -области стремятся проникнуть в p -область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из p -области перемещаются в n -область. В результате встречного движения противоположных зарядов возни­кает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через гра­ницу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препят­ствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании n - и р -областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе при­ведено на рис.1,б.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное элект­рическое поле E_СОБСТВ , направление которого показано на рис.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное из­менение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов n - и р -областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

,

где j_T — тепловой потенциал, N_n и Р_р — концентрации электронов и дырок в n - и р -областях, n_i — кон­центрация носителей в нелегирован­ном полупроводнике.

Контактная разность потенциа­лов для германия имеет значение 0,6... 0,7 В, а для кремния — 0,9... 1,2 В.

p-n-переход при внешнем смещении

Обратный ток в p-n-переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попа­дают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентра­ция основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей прак­тически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, об­ратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенци­ального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряже­ния на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается I_обр=I_s. При прямом смещении p-n-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя p-n-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителя­ми. Концентрация неосновных носителей при этом может су­щественно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Та­кое явление носит название инжекции носителей. Таким образом, при проте­кании прямого тока через пере­ход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из ды­рочной области будет происхо­дить инжекция дырок. Диффузи­онный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивает­ся экспоненциально: , где U — напряжение на p-n-переходе. Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, про­текающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока и тока проводимости: . Это уравнение называется уравнением Эберса-Молла, а соответствующая ему вольт-амперная характеристика p-n-перехода приведена на рис.3. Поскольку при j_T=З00К тепловой потенциал T=25мВ, то уже при U=0,1 В можно считать, что Параметры p-n-перехода Дифференциальное сопротивление p-n-перехода можно определить, восполь­зовавшись формулой тока проводимости: , откуда получаем . Так, например, при токе I=1А и j_T =25мВ дифференциальное сопротивление перехода равно 25мОм. Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной раз­ности потенциалов y_K . Об­ратное напряжение ограни­чивается пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возникает за счет лавинного размножения неосновных но­сителей и называется лавин­ным пробоем. При лавинном пробое p-n-перехода ток че­рез переход неограниченно возрастает при неизменном напряжении на нем, как по­казано на рис. 3. Рис.3. Вольт-амперная характеристика p - n -перехода     Емкость p-n-перехода Полупроводниковый p-n-переход имеет емкость, ко­торая в общем случае определяется как отношение при­ращения заряда на переходе к приращению падения на­пряжения на нем, т.е. C=dq/du. Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной и оп­ределяется по формуле где y_K — контактная разность потен­циалов, U — обратное напряжение на переходе, C_БAP(0) — значение барьерной емкости при U=0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полу­проводникового кристалла. Зависи­мость барьерной емкости от приложен­ного напряжения приведена на рис.4. Рис.4. Зависимость барьерной емкости от напряжения на p-n-переходе Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n-переходе, однако она шунтиру­ется низким дифференциальным сопротивлением r_диф. При прямом смеще­нии p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямо­го тока I и времени жизни неосновных носителей t_p. 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 по формуле Полная емкость перехода при прямом смещении определяется суммой барьер­ной и диффузионной емкостей При обратном смещении перехода диффузионная емкость отсутствует, и полная емкость состоит только из барьерной емкости. Полупроводниковые диоды Все полупроводниковые диоды можно разделить на несколько групп: выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ, варикапы, туннельные, обращенные, фото-, светоизлучающие, стабилитроны, многослойные. Полупроводниковые диоды используют различные свойства p - n -переходов; явле­ния пробоя, несимметричную электропроводность, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивле­нием и др. Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов. Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материа­лом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металли­ческой подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до не­скольких МГц. Вольт-амперная характеристика диода При большом токе через p - n -переход, значительное напряжение падает в объе­ме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом уравнения Эберса-Молла вольт-амперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид , где R — сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называ­ют последовательным сопротивлением. Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис.5,а, а его структура на рис.5,б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом (по аналогии с электровакуумным диодом), а электрод, под­ключенный к области n, — катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис.5, в.   Рис. 5. Условное обозначение полупроводникового диода (а), его структура (б) и вольт-амперная характеристика (в)    

Параметры диода

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся: • падение напряжения U_пр на диоде при некотором значении прямого тока; • обратный ток I_обр при некотором значении обратного напряжения; • среднее значение прямого тока I_пр.ср ; • импульсное обратное напряжение U_обр.и . К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся: • время восстановления t_вoc обратного напряжения; • время нарастания прямого тока I_нар ; • предельная частота без снижения режимов диода f_max . Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристи­ке диода. Типовые значения статических парамет­ров силовых диодов приведены в табл.1. Таблица 1 Статические параметры силовых выпрямительных диодов Временные характеристики диодов Время обратного восстановления диода t_вос является основным параметром выпрямительных универсальных и импульсных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно опре­деляется при переключении диода с заданного прямого тока I_пр на заданное об­ратное напряжение U_обр. Графики такого переключения приведены на рис.6,а. Схема испытания, приведенная на рис.6,б, представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку R_н и питаемый от источ­ника напряжения прямоугольный формы. Напряжение на входе схемы в момент времени t=0 скачком приобретает положительное значение U_m. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени t_нар. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после t_нар становится равным U_пр. В момент времени t₁ в цепи устанавливается стационар­ный режим, при котором ток диода i=I _н » U_m/R_н. Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t₂ , когда поляр­ность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе p-n-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противополож­ное. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т.е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывания t_рас начинается процесс выключения диода, т.е. процесс восстановления его запираю­щих свойств. К моменту времени t₃ напряжение на диоде становится равным нулю и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запира­ющих свойств диода продолжается до момента времени t₄, после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным нулю, а напряжение достигает значения -U_m. Таким образом, время t_вос можно отсчи­тывать от перехода U_д через нуль до достижения током диода нулевого значения I_д =0. Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода показывает, что он не является идеальным вентилем и в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Время рассасывания неоснов­ных носителей в p-n-переходе можно определить по формуле , где τ_p — время жизни неосновных носителей. Время восстановления обратного напряжения на диоде можно оценить по приближенному выражению . Следует отметить, что при R_н=0 (что соответствует работе диода на емкост­ную нагрузку) обратный ток через диод в момент его запирания может во много раз превышать ток нагрузки в стационарном режиме. Из рассмотрения графиков рис.6,а следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и, особенно, при выключении. Следова­тельно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямленного напряже­ния. При работе диода на низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют и потери в диоде резко снижаются. Рис.6. Графики процессов отпирания и запирания диода (а) и схема испытания (б)

Дата добавления: 2014-01-20