Napivprovidnikovi_diodi_03_04_2014

Розділ 1. Напівпровідникові прилади

1.1. Електронно-дірковий p-n перехід та його основні властивості.

Електропровідність твердих тіл пояснюється рухом вільних електронів, тобто електронів, які втратили валентний зв’язок з ядрами атомів. За електропровідністю всі речовини прийнято умовно поділяти на провідники, напівпровідники та діелектрики.

Напівпровідникові матеріали поділяються на власні (бездомішкові) та домішкові. За температури 0˚К вільні електрони у напівпровідниках відсутні, тож вони є діелектриками. Для того щоб у напівпровіднику утворилися вільні електрони, його кристал необхідно нагріти або освітити, тобто затратити для розриву ковалентних зв’язків певну кількість енергії, підведеної ззовні.

Порушення ковалентного зв’язку приводить до одночасного утворення вільного електрона та дірки. У чистому напівпровіднику кількість вільних електронів дорівнює кількості дірок ni pi , де n – число електронів, p- число дірок. Процес утворення електронно-діркових пар при підвищенні температури називається термогенерацією, а зворотній процес - рекомбінацією носіїв зарядів.

Дірка, як і вільний електрон, здійснює хаотичний рух у кристалі напівпровідника та поводиться подібно частці з позитивним елементарним зарядом. При внесенні кристала напівпровідника в електричне поле, рух електронів та дірок упорядковується. Вони починають рухатись у протилежних напрямках. Тому розрізняють електропровідності електронну n–типу та діркоу p–типу.

Струм у кристалі напівпровідника складається з двох складових: дрейфового Iдр та дифузійного струмів Iдиф.

Дрейфовий струм у кристалі виникає у вигляді упорядкованого руху електронів і дірок під дією зовнішнього електричного поля Е. Він має електронну та діркову складові Iдр= In др+I p др.

Дифузійний струм утворюється за рахунок різниці концентрації носіїв рухом заряджених частинок з областей кристала з підвищеною концентрацією в область збіднілу носіями, і також має электронну та діркову

складові Iдиф= In диф+I p диф

1

Для виготовлення напівпровідникових приладів застосовують домішкові (леговані) напівпровідники, що мають, на відміну від чистих, значно більшу електропровідність. Залежно від роду домішок у напівпровідниках в них переважає або електронна, або діркова електропровідність.

При легуванні кристалу чотирьохвалентного елемента (кремнію (Si) або германію (Ge)) п'ятивалентним (сурма (Sb), миш’як(As) або фосфор (P)), донорна домішка, число вільних електронів перевищує число дірок. Такий напівпровідник має переважно електронну провідність, та є напівпровідником n–типу.

При легуванні кристала кремнію (Si) або германію (Ge) домішкою трьохвалентного элементу (бор (B), індій (In), алюміній (Al)) , акцепторна домішка, число вільних дірок перевищує число електронів. Такий напівпровідник має переважно діркову провідність та є напівпровідником p–

типу.

Характер проходження струму та його величина залежать від полярності та величини прикладеної напруги. Якщо «+» підключений до контакту шару p, а «-» до контакту шару n, то

Рис.1.

напруга на переході знизиться, рівновага між Iдр і Iдиф порушиться і через перехід буде протікати прямий струм.( Рис.1.)

Рис.2.

Якщо полярність джерела живлення змінити на зворотню, то через p-n- перехід можут пройти тільки неосновні носії зарядів. Напрямок струму ціх зарядів протилежний напрямку прямого струму, тому його називають

2

зворотнім струмом. Його величина мала, тому що число неосновних носіїв дуже невелике. (Рис.2.)

Якщо до p-n-переходу прикласти зовнішню напругу, то під її дією в ланцюзі виникне електричний струм. При великих зворотніх напругах спостерігається стрибкоподібне збільшення зворотнього струму. Це явище називається пробоєм p-n-переходу, а відповідна йому напруга – напругою пробою.

Розрізняють електричний (лавинний, тунельний) та тепловий пробої.

Лавинний пробій виникає при прикладенні до р-n переходу високої зворотньої напруги. У цьому випадку неосновні носії можуть набувати в електричному полі р-n переходу настільки велику кінетичну енергію, що викликають ударну іонізацію напівпровідника.

Тунельний пробій виникає за меньших зворотніх напруг, ніж лавинний, і обумовлений «просочуванням» неосновних носіїв через потенційний бар’єр у зону, де вони стають основними носіями за рахунок тунельного эфекту - подолання мікрочасткою потенційного бар’єру у випадку, коли її повна енергія (що залишається при тунелюванні незмінною) менша за висоту бар’єру. Тунельнйй ефект - явище виключно квантовойї природи, неможливе в класичній механіці та навіть повністю суперечить їй. Аналогом тунельного ефекту у хвильовій оптиці может служити проникнення світлової хвилі всередину відображаючої середи (на відстанні порядку довжини світлової хвилі) в умовах, коли, з точки зору геометричної оптики, відбувається повне внутрішнє віддзеркалення.

Електричні (лавинний, тунельнтй) пробої є оборотними, тобто після зменшення зворотньої напруги лавинний струм припиняється.

Тепловий пробій виникає внаслідок перегріву та руйнування р-n- переходу, протікає через нього лавинним зворотнім струмом та є незворотнім. Для його запобігання треба обмежити струм електричного (лавинного або тунельного) пробою.

3

1.2. Напіпровідникові діоди.

Напівпровідниковий діод – це напівпровідниковий прилад з одним p-n переходом і двома виводами , за допомогою яких він з’єднується із зовнішнім електричним ланцюгом. Електрод приєднаний до р-області називають анодом ( за аналогією з вакуумним діодом) , а вивод приєднаний до n- області напівпровідника називають катодом.

Якщо анод діода має позитивний потенціал відносно катода, тобто Uак > 0, то кажуть що, діод «працює», «зміщений» або «включений» у «прямому напрямку», до нього «прикладено» «пряму напругу» и через нього тече «прямий струм». Якщо анод діода має негативний потенціал відносно катода, то діод «працює», «зміщений», «включений» у «зворотньому напрямку» і через нього тече «зворотній струм»

Вольт - амперна характеристика (В А Х ) діода – це залежність струму, який тече через діод від різниці потенціалів між анодом і катодом

Ia=f(Uak) (Рис.3)

Рис.3. Вольт - амперна характеристика (В А Х ) діода.

4

При включенні p-n переходу під пряму напругу Uпр опір p-n переходу Rпр знижується, а струм Inp зростає. При зворотній напрузі Uзв зворотній струм Iзв неосновних носіїв заряду виявляється у багато сотень або тисяч разів менше прямого струму.

При напрузі U > Umax (див. точку «а» на вольт - амперній характеристиці (ВАХ) діода) починається лавиноподібний процес наростання зворотнього струму Iзв , який відповідає електричному пробою p-n переходу, який переходить, якщо не обмежити струм, у незворотній тепловий пробій (посля точки «в» на Рис.3.).

З аналізу ВАХ діода очевидно, що він має неоднакову електропровідність у прямому та зворотньому напрямках його включення. Тому напівпровідникові діоди використовують у схемах випрямлення змінного струму.

Аналіз типових ВАХ діодів (див. Рис. 3) показує:

- пряма напруга Uпр на германієвім діоді майже в два рази менша, ніж на кремнієвім, при однакових значеннях прямого струму Iпр ;

-зворотній струм Iзв кремнієвого діода значно менший за зворотній струм германієвого при однакових зворотніх напругах Uзв;

-германієвий діод починає проводити струм при мізерно малій прямій напрузі Uпр, а кремнієвий – тільки при Uпр = 0,4…0,5 В.

Виходячи з цих властивостей, германієві діоди застосовують як у схемах випрямлення змінного струму , так і для обробки сигналів малої амплітуди (до 0,3 В), а кремнієвыі, найбільш росповсюдженні, – як у схемах випрямлення, так і в схемах пристроїв, в яких зворотній струм неприпустимий або повинен бути мізерно малий. До того ж, кремнієві діоди зберігають працездатність при температури навколишього середовища 125…150 С, тоді як германієві можуть працювати тільки до 70 С.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ), тобто залежність струму, який

протікає через р-п перехід, від значення та полярності прикладеної до нього напруги U, досить добре відповідає виразу

де I0 — струм насичення; k — постійна Больцмана; T — абсолютна температура; — температурний потенціал електрона.

При t = 20 ºС,

5

При негативній (зворотній) напрузі від десятих вольта та вище доданком

можна знехтувати в порівнянні з одиницею, і струм виходить рівним , який не залежить від напуги. При прямій напрузі у десяті долі

вольта і вище можна знехтувати одиницею в порівнянні з доданком , і, отже, пряма гілка ВАХ проходить близько до експоненти.

В основі класифікації діодів лежать різні ознаки:

Вид електричного переходу (точковий, площинний);

Фізичні процеси в p-n переході (тунельний, лавинно-

пролітний);

Характер перетворенняя енергії сигналу (фотодіод, світлодіод,

магнітодіод тощо)

Діапазон робочих частот (низькочастотні, высокочастотні, надвисокочастотні (НВЧ) діоди);

Конструктивно-технологічні особливості (дифузійні,

епітаксійні, Шотки тощо);

Вид матеріалу, що застосовується для виготовлення діодів (

кремнієві, германієві, арсенід - галієві тощо).;

Використання нелінійних властивостей p-n переходу (випрямні,

стабілітрони, варикапи, імпульсні тощо);

Випрямний діод –електронний ключ, який керується прикладеною до нього напругою. При прямій напрузі на аноді діода (Uak >0) ключ замкнений, при зворотній напрузі (Uak <0) ключ разімкнутий). Так як напруга на повністю відкритому діоді не перевищує 0,5…0,7 В, то для приблизних розрахунків діод розглядають як вентиль: «відкритий— закритий», що має ВАХ, зображену на Рис.4.

Рис.4. Ідеалізована ВАХ випрямляючого діода.

6

У випрямляючому пристрої енергія змінного струму перетворюється в енергію постійного струму за рахунок односторонньої провідності діодів.

Рис.5. Схема напівперіодного випрямляча.

На Рис. 5 наведена схема напівперіодного випрямляча. Його робота відбувається наступним чином. Якщо генератор виробляє синусоїдальну напругу, то протягом позитивного(+) напівперіода напруга для діода є прямою, його опір малий, і через резистор тече струм, який створює на резисторі RН падіння напруги Uвих , який повторює вхідну напругу e(t).

e(t) = Еm sin w t,

У наступний, негативний (-) напівперіод, напруга для діода є зворотньою, опір діода великий, струму практично нема та, відповідно, Uвих = 0. Таким чином, через діод і RН протікає пульсуючий випрямлений струм. Він створює на резисторі RН пульсуючу випрямлену напругу Uвих/ Корисною частиною випрямленої напруги є її постійна складова або середнє значення U сер (за півперіод):

Ucеp = Umax / =0,318 Umax

Таким чином, U сер становить близько 30% від максимального значення.

Випрямні діоди використовують у схемах перетворення (випрямлення) змінного струму у постійний струм. Зазвичай це площинні діоди середньої та великої потужності.

До малопотужних відносять діоди з потужністю розсіювання до 0,3 Вт.

До діодів середньої потужності - від 0,3 до 10 Вт,

До діодів великої потужності - з потужністю розсіювання >10Вт.

7

менше диференційний опір Rст = U/ I, тим «крутіше» ділянка електричного пробою зворотньої гілки ВАХ.

Рис.9. ВАХ стабілітрона.

При роботі на цій ділянці зворотня напруга на стабілітроні Uст незначно змінюється при відносно великих змінах струму стабілітрона Iст . Тому при зміні вхідної напруги U ± U = ±Uб +Uст змінюється в цілому напруга ±Uб=Rб* I на баластному резисторі Rб, а напруга Uн на навантаженні Rн - майже не змінюється.

При прямому ввімкненні стабілітрон може розглядатися як звичайний діод. Проте у зв’язку з підвищеною концентрацією домішок напруга Uпр =0,3- 0,4 В мало змінюється при значних змінах прямого струму Iпр. Прилад, у якому використовується пряма гілка у схемах стабілізації напруги,

називають стабістором.

Параметри стабілітронів :

Uст – зворотня напруга стабілізації при номінальному значенні струму;

Iст min - мінімальныи струм стабілізації, при якому виникає стійкий пробій;

Iст max - максимальний струм стабілізації, при якому потужність, що розсіюється на стабілітроні, не перевищує допустимого значення;

Rст - диференційний опір, який характеризує зміну напруги стабілізації при зміні струму: Rст = U/ I

ТКН - температурний коефіцієнт напруги (0,02 %/°С – 0,4%/°С) -

характеризуе на скільки зміниться напруга стабілізації при зміні температури стабілітрону на 1ºC..

10