Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы5

Лекция 5. Полупроводниковые диоды.

Содержание:

• Классификация диодов

• Выпрямительные низкочастотные диоды

• Выпрямительные высокочастотные диоды

• Импульсные диоды

• Стабилитроны

• Варикапы

• Диоды Шоттки

Диодом называют электропреобразовательный прибор, который имеет два вывода для подключения к внешней цепи. Полупроводниковый диод содержит один или несколько электрических переходов.

В основу классификации полупроводниковых диодов могут быть положены различные признаки: технология изготовления, физические процессы в переходе, функциональное применение, мощность и т.д. Обычно в справочных материалах приводятся характеристики, важные для функционального применения.

Выпрямительные низкочастотные диоды. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий. При преобразовании переменного тока промышленной частоты рабочая частота диода составляет всего 50 Гц, поэтому верхняя граница рабочих частот, как правило, не превышает 500 Гц  20 кГц.

Для характеристики выпрямительных диодов используют статические и динамические параметры. К основным статическим параметрам относятся:

• прямое падение напряжения U_пр при заданном прямом токе;

• постоянный обратный ток I_обр при заданном обратном напряжении U_обр.

Оба указанных параметра зависят от температуры, поэтому приводятся при нескольких различных температурах.

К основным динамическим параметрам относятся:

• I_вп.ср – среднее за период значение выпрямленного тока;

• U_пр.ср – среднее значение падения напряжения при заданном значении прямого тока;

• I_обр.ср – среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения;

• U_обр.ср – среднее за период значение обратного напряжения;

• f_гр – граничная частота, на которой выпрямленный ток диода уменьшается до установленного уровня; зависит от площади перехода и времени жизни носителей.

Под предельно допустимыми эксплуатационными режимами работы диодов подразумевают такие режимы, которые обеспечивают работу диодов в течение оговоренного техническими условиями срока службы с заданной надежностью. Предельно допустимые эксплуатационные режимы ограничиваются предельными эксплуатационными данными:

• I_{пр.макс} – максимальный допустимый постоянный прямой ток;

• U_{обр. макс} – максимальное допустимое обратное напряжение;

• Р _макс – максимальная допустимая мощность, рассеиваемая диодом;

• t_мин и t_макс – минимальное и максимальное значения температуры окружающей среды.

Могут приводиться и другие предельные эксплуатационные данные (импульсный прямой ток, средний прямой ток, частота без снижения электрических режимов и т.д.). Низкочастотные выпрямительные диоды изготавливаются по сплавной и диффузионной технологиям из Ge и Si.

Выпрямительные высокочастотные диоды (ВЧ). Выпрямительные высокочастотные диоды предназначены для нелинейного преобразования сигнала на частотах до сотен мегагерц. Нелинейное преобразование осуществляется за счет нелинейности ВАХ. Выпрямительные высокочастотные диоды используются в детекторах, смесителях, преобразователях частоты.

Статические параметры ВЧ диодов те же, что у низкочастотных выпрямительных диодов. К динамическим параметрам относят барьерную емкость перехода при заданном напряжении на диоде С_бар, сопротивление базы r_б, индуктивность диода L_д, граничную частоту работы f_гр. Иногда задают емкость корпуса диода С_корп.

Эквивалентная схема диода на высоких частотах должна учитывать дифференциальное сопротивление р-n перехода r_диф, равное производной напряжения на р-n переходе по току:

. (5-1)

Кроме того, учитывается сопротивление базы r_б, диффузионная и барьерная емкости, емкость корпуса и индуктивность (рис. 5-1а).

В современных кремниевых высокочастотных диодах сопротивление утечки R_у огромно и обычно не учитывается. При работе диода с малым высокочастотным сигналом (амплитуда высокочастотной составляющей много меньше _Т) эквивалентная схема может быть упрощена (рис.5-1б). Увеличение прямого тока через диод приводит к уменьшению дифференциального сопротивления р-n перехода r_диф (5-1). При обратном смещении диффузионной емкостью можно пренебречь по сравнению с барьерной, r_диф становится много больше r_б (рис. 5-1в).

Импульсные диоды. Предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах. К ним предъявляют требования малости барьерной емкости и быстрого рассасывания неосновных неравновесных носителей в базе – основных факторов, определяющих инерционные свойства диодов.

К статическим параметрам диодов относятся постоянный обратный ток I_обр при заданном обратном напряжении U_обр и постоянное прямое напряжение U_пр при заданном прямом токе I_пр.

К характерным импульсным параметрам относят: емкость диода С_д – емкость между выводами диода при заданном обратном напряжении; заряд переключения Q_пк – накопленный заряд, переносимый обратным током при переключении диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение; время установления прямого напряжения t_уст; время обратного восстановления t_восст.

Стабилитроны. Стабилитрон – это полупроводниковый диод, у которого рабочим участком ВАХ является участок обратной ВАХ, на котором происходит обратимый пробой (лавинный или туннельный). Стабилитрон предназначен для стабилизации напряжения в схемах – напряжение на нем поддерживается постоянным с определенной точностью при изменении тока.

К основным параметрам относятся: напряжение стабилизации U_ст при заданном токе стабилизации I_ст; дифференциальное сопротивление при заданном I_ст; температурный коэффициент температурной стабилизации . При относительно малой степени легирования базы диода наблюдается лавинный механизм пробоя (U_ст > 7 В), а при высокой концентрации – туннельный пробой (U_ст < 4 В). У стабилитронов с лавинным пробоем напряжение стабилизации растет с ростом температуры (_ст > 0), а с туннельным – падает (_ст < 0). При напряжении стабилизации U_ст  6 В оба вида пробоя дают сравнимый вклад, поэтому _ст обращается в 0.

Варикапы. Варикап – полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости от обратного напряжения. Варикап предназначен для использования в качестве управляемой напряжением емкости.

_{В общем случае с увеличением обратного напряжения емкость варикапа уменьшается по закону}

_{, (5-2)}

_{где 0 – контактная разность потенциалов,}

_{m – коэффициент, зависящий от типа варикапа.}

_{m обычно лежит в пределах 2-3, но с помощью неоднородного профиля легирования может достигать единицы и более (сверхрезкие переходы).}

_{Параметрами варикапа являются: емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении Св; коэффициент перекрытия по емкости ; номинальная добротность варикапа Qв – отношение реактивного сопротивления к полному сопротивлению потерь при номинальном напряжении на заданной частоте.}

Диоды Шоттки. При контакте металл-полупроводник наибольшее применение в полупроводниковых приборах получили выпрямляющие контакты, или барьеры Шоттки. Барьер Шоттки можно получить при контакте металл-полупроводник n-типа при условии, что термодинамическая работа выхода электрона из n-полупроводника Ф_П меньше, чем термодинамическая работа выхода из металла Ф_М.

Рассмотрим диаграмму энергетических уровней изолированного металла и n-полупроводника, удовлетворяющих условию Ф_П < Ф_М (рис. 5-2). Электронное сродство полупроводника  – это расстояние от дна зоны проводимости до уровня вакуума Е₀. Е_ФМ и Е_ФП – уровни Ферми металла и полупроводника соответственно. При контакте в начальный момент времени поток электронов из полупроводника в металл будет превышать обратный поток из металла в полупроводник, пока уровни Ферми в металле и полупроводнике не совпадут. При этом в области контакта возникнет электрическое поле, в результате чего произойдет изгиб энергетических зон в полупроводнике (рис 5-3).

Вблизи контакта в полупроводнике образуется область положительного пространственного заряда, в металле такой же по величине отрицательный заряд занимает область крайне малой толщины порядка межатомного расстояния. Электроны, переходящие из металла в полупроводник, встречают на своем пути барьер высотой Ф_В = Ф_М – , а переходящие из полупроводника в металл qV_Bi = Ф_М  – Ф_П. В термодинамическом равновесии потоки электронов из металла в полупроводник и из полупроводника в металл должны быть одинаковы.

При прямом смещении U (плюс к металлу, минус к полупроводнику) высота барьера Ф_В не изменяется, а барьера в полупроводнике уменьшается на qU, поэтому поток электронов из металла в полупроводник остается прежним, а из полупроводника в металл экспоненциально возрастает (рис. 5-4 а). При обратном смещении (U < 0) поток электронов из металла в полупроводник не изменяется, а из полупроводника в металл практически исчезает, т.к. высота барьера в полупроводнике увеличивается на qU. Таким образом, обратный ток насыщается (рис. 5-4 б).

Диоды на основе барьера Шоттки называются диодами Шоттки. Формула вольт-амперной характеристики диода Шоттки имеет такой же вид, как диода с p-n переходом:

.

Главная особенность барьера Шоттки по сравнению с p-n переходом – отсутствие инжекции неосновных носителей. Если нет инжекции, то нет и накопления неосновных носителей, а значит, отсутствует диффузионная емкость. Это существенно снижает время переключений диодов Шоттки. Время таких переключений теперь определяется только барьерной емкостью и у диодов с малой площадью может составлять 10^-10 – 10^-11 с. Еще одна важная особенность – значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на кремниевых p-n переходах с той же площадью. Это объясняется тем, что ВАХ диодов Шоттки описывается той же формулой, что и для p-n переходов, но ток насыщения I₀ на несколько порядков выше. Типичным для диодов Шоттки является прямое напряжение 0,4-0,5 В. Это позволяет эффективно использовать их во вторичных импульсных источниках питания с более высоким КПД.