Раздел 2. Полупроводниковые приборы
2.1. Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним электронным переходом и двумя выводами.
§ 1. Выпрямительные диоды.
Выпрямительные диоды являются плоскостными. Площадь перехода определяется расчетным значением (~Ia ) выпрямленногоIa.
На рис.1 приведены ВАХ Ge иSiвыпрямительных диодов малой мощности при комнатной и максимально допустимой температуре окружающей среды. Наиболее существенно отличаются обратные ветви приведенных характеристик. Это различие проявляется в характеристике зависимости как обратногоIотUобр. , так и, особенно сильно, от температуры. Обратные ветви указанных характеристик отличаются также от характеристик идеальногоp-n-перехода.
Причины отличий.
Рассматривая p-n-переход при обратном включении, мы считалиIобр.равным тепловому (дрейфовому) токуIт, который не зависит отUобр.. Поэтому характеристикаIобр.идеальногоp-n-перехода шла параллельно горизонтальной оси. В реальномp-n-переходе при обратном напряжении кроме теплового тока протекают еще токи термогенерации (Iг) и утечки (Iу).
В отличие от Iт, образующегося за счет наличия носителей заряда вp- иn-областях,Iгявляется следствием возникновения носителей заряда в самомp-n-переходе. Внутриp-n-перехода, как в каждом полупроводнике, при комнатной температуре имеет место ионизация атомов, в результате которой образуется небольшое количество носителей заряда - свободных электронов и дырок ( ē иpк). Электрическим полем перехода дырки перебрасываются вp-область, а ē вn-область, повышая, таким образом,Iобр.диода. Поскольку указанные носители заряда возникают за счет тепловой (генерации) энергии, этот ток называетсятоком термогенерации. С повышениемUобр.ширинаp-n-перехода повышается иIгповышается. При повышении температурыIгтакже повышается.
Iупротекает по поверхности кристалла под действиемUобр. и зависит от наличия на этой поверхности молекулярных или ионных пленок, шунтирующих переход, например, молекул окислов основного материала, молекул газа и т.п. С повышениемUобр. повышаетсяIу. От температурыIупрактически не зависит.
Таким образом Iобр.черезVDимеет три составляющие:
Iобр.=Iт+Iг+Iу
Поскольку IгиIу зависят отUобр., суммарный ток диода также зависит от приложенного к немуUобр..
Соотношение между составляющими Iобр.уGeиSiдиодов различно. УGeдиодов при комнатной температуреIт>>Iг+Iу. Следовательно: 1)изгиб у характеристикиIобр.в начале; 2)при повышении температурыIобр.сильно повышается. УSiдиодов при комнатных температурах очень мал, и поэтому
Iг+Iу >>Iт. Причем частоIу>Iг, т.е.Iу является основной составляющей токаIобр. уSiдиодов.
При комнатной температуре электрический пробой у Geдидов наступает примерно приUобр. =150 В, а уSi- приUобр. =300 В. С повышением температурыUпроб. уGeдиодов резко падает, а уSi– даже несколько повышается. Т.о.,Siдиоды могут работать при более высокихUобр.и с меньшимиIобр., чемGe. Поэтому в настоящее время выпрямительные диоды изготавливаются на базеSi.
Прямой ток диодов при повышении температуры также повышается, т.к. повышается число носителей заряда в p- иn- областях в результате ионизации.
Эквивалентная схема диода на НЧ показана на рис.2.
В этой схеме R0– небольшое суммарное сопротивлениеp- иn- областей,Rn– сопротивлениеp-n-перехода, зависящее от полярности и значения приложенного напряжения,Cn– емкость перехода.
При прямом включении
Rпр.= ∆Uпр./ ∆Iпр. [единицы – десятки Ом – маломощные диоды].
При обратном включении
Rобр.= ∆Uобр./ ∆Iобр.[единицы МОм – маломощные диоды].
Т.е. Rобр>>Rпр., дающее возможность использовать диод в качестве выпрямительного элемента.
Из-за большой площади перехода емкость у выпрямительных диодов относительно велика (десятки пФ). Поэтому их можно применять для выпрямления токов с частотами не более 1-2 кГц.
Однотипные диоды можно соединять между собой последовательно или параллельно.
Необходимость в последовательном соединении диодов возникает в тех случаях, когда выпрямляемое напряжение по своей амплитуде превышает максимально допустимое Uобр.диода. Из-за разброса параметров соединяемые диоды могут иметь неодинаковоеRобр.. Это приведет к тому, чтоUобр.распределится между ними неравномерно. Отдельные диоды, имеющие наибольшееRобр., будут работать при повышенномUобр.и могут выйти из строя. Причем пробой одного из диодов приведет к выходу из строя остальных, соединенных с ним последовательно, т.к. выпрямляемое напряжение распределится между еще работающими диодами и на долю каждого из них придетсяUобр., значительно превышающее допустимое. Поэтому при последовательном соединении диоды обычно параллельно каждому из них подключают уравнительные резисторы с сопротивлением порядка сотен кОм (рис. 3а).
К параллельному соединению диодов прибегают тогда, когда нужно получить ток больше предельного тока диодов данного типа. При параллельном соединении различие в прямых сопротивлениях диодов приводит к тому, что они оказываются неодинаково нагруженными и ток через диод с наименьшим прямым сопротивлением может превысить предельный. Поэтому для выравнивания токов последовательно с диодом включают резисторы с малым сопротивлением
(десятые доли Ом – единицы Ом) (рис. 3б).