Электроника / ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

а)

iпер (iпр)

б)

iпер (iпр)

1

1

2

2

uобр

u

пред

1

uпр

uобр

u

пред

1

uпр

А

А

2

2

В

-iпер (iобр)

В

В’

-iпер (iобр)

Рисунок 1.11 - Идеализированная (а) и реальные (б) вольт-амперные характеристики электронно-дырочного перехода. (Токи inp и iОбр и напряжения Uпр и UОбр отложены на графиках в неодинаковых масштабах).

а. Прямая ветвь

Падение напряжения на омическом сопротивлении слоев полупроводника (главным образом на сопротивлении rб слоя с меньшей концентрацией примеси) приводит к тому, что к переходу прикладывается меньшее напряжение UП = U - inp∙rб. Поэтому прямая ветвь реальной характеристики (кривая 2 на рисунке1.10,б) проходит ниже теоретической.

При напряжениях U = UПР> 0,3Вдля германиевых переходов и U = UПР >

0,7В для кремниевых переходов вольт-амперная характеристика становится практически линейной, так как потенциальный барьер перехода почти полностью компенсируется внешним напряжением, а сопротивление слоев полупроводника не зависит от тока.

б. Обратная ветвь

В области обратных напряжений обратный ток реального p – n –

перехода больше теплового тока in, и, кроме того, он не остается постоянным при увеличении UОБР.

23

Главные причины, вызывающие рост тока на участке OA обратной

ветви реальной вольт - амперной характеристики, заключаются в следующем.

1)Поскольку переход имеет конечную ширину, то в его объеме, так же как и в любом другом слое полупроводника, происходит тепловая ионизация атомов (термогенерация носителей); при увеличении UОБР растет ширина, а

следовательно, и объем p – n – перехода, что приводит к увеличению количества генерируемых носителей, то есть к росту обратного тока. Кроме того, скорость тепловой генерации растет из-за подогрева перехода с увеличением выделяющейся на нем мощности Pn = UОБР ∙ iОБР.

2)Обратный ток перехода растет и за счет ударной ионизации атомов электронами, которые при увеличении обратного напряжения, а

следовательно, и поля в районе перехода приобретают достаточную энергию.

Появляющиеся в результате ионизации носители вновь разгоняются полем и совершают новые ионизации, что приводит к увеличению числа носителей в районе перехода, то есть росту обратного тока.

3) Снаружи (по поверхности полупроводника) переход практически всегда шунтирован тонкими пленками окислов, по которым текут токи утечки и сопротивление которых нелинейно зависит от приложенного напряжения.

в. Пробой перехода

Особенно сильно отличаются реальная и идеализированная вольт-

амперные характеристики электронно-дырочного перехода при достаточно больших обратных напряжениях – на предпробойных и пробойных участках

(АВ и АВ' на рисунке 1.11, а и АВ на рисунке1.11,б). Пробой перехода – это резкое уменьшение дифференциального сопротивления, наступающее при некотором значении обратного напряжения UОБР и сопровождающееся ростом обратного тока при почти неизменном или даже уменьшающемся напряжении. Ток пробоя реального прибора должен быть ограничен

24

внешним сопротивлением, в противном случае при u = Uпред прибор выходит из строя.

Физическая природа пробоя зависит от степени легирования полупроводника, величины приложенного напряжения, температуры перехода и условий теплоотвода и других факторов. Наиболее вероятны три разновидности пробоя p – n – перехода: полевой, лавинный и тепловой.

Полевой (туннельный) пробой характерен для сильнолегированного

(низкоомного) материала полупроводника; он наступает из-за увеличения энергии связанных электронов с ростом напряженности электрического поля в районе перехода. Добавочная энергия облегчает ионизацию атомов и при постоянной температуре ионизируется большее число атомов при большей напряженности поля. При некотором значении напряженности электрического поля количество ионизированных атомов становится настолько большим, что район перехода оказывается заполненным свободными носителями и его сопротивление резко падает (переход перестает существовать); на рисунке 1.11,а участок вольт-амперной характеристики, соответствующий полевому пробою, обозначен буквами АВ.

Лавинный пробой в отличие от полевого характерен для слаболегированных полупроводников с большим удельным сопротивлением и, следовательно, с относительно широким переходом. В этом случае длина свободного пробега электрона внутри перехода оказывается сравнительно большой, и под действием сильного электрического поля внешнего источника неосновные носители, проходящие через переход, приобретают энергию, необходимую для ударной ионизации атомов полупроводника. При достаточно большой напряженности поля (соответствующей u = Uпред)

ионизация протекает лавинообразно: каждая пара электрон-дырка,

возникающая после разрыва валентной связи, вновь разгоняется полем и ионизирует следующие атомы. В результате лавинного размножения носителей обратный ток растет при практически неизменном напряжении

(дифференциальное сопротивление перехода близко к нулю). Отметим, что

25

процесс образования и развития лавины занимает доли наносекунды, то есть при u = Uпред ток через переход возрастает практически мгновенно. На рисунке1.10, а участок вольт-амперной характеристики перехода с лавинным механизмом пробоя обозначен буквами АВ'.

Если ток через переход ограничивается сопротивлением, включенным во внешнюю цепь, то и лавинный, и полевой пробой не приводят к необратимым изменениям в структуре p – n – перехода.

Тепловой пробой возникает в результате разогрева перехода обратным током большой величины, когда количество тепла, выделяющегося в переходе (пропорционального мощности Pn = UОБР∙iОБР), больше отводимого

(рассеивающегося в окружающую среду) тепла

	Pотв	t п	t с		(1.8)
		Pпс
	где t°п – температура перехода; t°с –		температура окружающей среды; Pпс
	[град/Вт] –тепловое сопротивление переход-среда.

Если Pп>Pотв, температура перехода достигнет критического значения,

при котором начинается интенсивная тепловая ионизация, число носителей в районе перехода (то есть ток iОБР) возрастает, мощность Pп увеличивается,

переход еще больше разогревается и так далее. Дифференциальное сопротивление перехода очень резко уменьшается, принимая отрицательные значения (участок АВ вольт-амперной характеристики рисунка 1.11,6,

соответствующий тепловому пробою, имеет отрицательный наклон).

Тепловой пробой может развиваться из лавинного или полевого при достаточно большом токе через переход. Наиболее подходящие условия для возникновения теплового пробоя наблюдаются в транзисторах, на коллекторных переходах которых обычно выделяется большая мощность, так как через коллекторный переход, находящийся под высоким обратным напряжением, течет большой (намного больший обратного) ток,

инжектируемый эмиттером.

26

Отметим, что в отличие от лавинного или полевого пробоя, тепловой пробой развивается сравнительно медленно (в течение секунд или даже минут). Тепловой пробой, как правило, необратим, то есть приводит к разрушению структуры (перегоранию) p – n – перехода и выходу прибора из строя.

27

ГЛАВА 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ.

Полупроводниковые диоды – это двухэлектродные приборы, действие которых основано на односторонней проводимости двух- и четырехслойных полупроводниковых структур. По назначению диоды можно разделить на следующие группы:

—выпрямительные (силовые диоды, вентили);

—опорные (полупроводниковые стабилитроны);

—переключающие (туннельные диоды, динисторы);

—светочувствительные (фотодиоды);

—излучающие (светодиоды);

—высокочастотные (до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 300

МГц);

—параметрические (варикапы).

2.1.Выпрямительные полупроводниковые диоды.

Основным назначением выпрямительных диодов является фазочувствительное выпрямление переменного тока сравнительно низкой частоты (обычно не более 50 кГц). Помимо этого, выпрямительные диоды применяются для фазочувствительного выпрямления переменного тока,

преобразования постоянного тока в переменный. Они используются в качестве нелинейных сопротивлений, термисторов, управляемых резисторов и тому подобное

Полупроводниковые выпрямительные диоды различаются по материалу рабочего тела (кремниевые, германиевые, селеновые, титановые,

медно-закисные), по типу исполнения (дискретное, интегральное), по способу изготовления p – n – перехода (сплавные, диффузионные), по характеру контакта (плоскостные и точечные), по мощности (маломощные–

28

среднее значение тока через прибор Iпр.ср.< 0,3A, средней мощности –0,3A ≤

Iпр.ср. ≤ 10A и мощные –Iпр.ср. > 10A).

Основой кремниевого или германиевого диода сплавного типа служит тонкая пластинка монокристаллического примесного полупроводника

(например, кремния с примесью сурьмы, обладающего электронной проводимостью), в которую вплавлена таблетка акцепторного по отношению к основному материалу вещества (например, алюминия). В процессе оплавления и рекристаллизации слой электронного полупроводника вблизи капли алюминия обогащается атомами акцептора и превращается в полупроводник p – типа (кривая 3на рисунке 2.1,а).

			4
			3
	1	2	мм
			16
	6	3
		4	5
			6
	7
	а)

							2
5					1
б)

Рисунок 2.1 - а) Структура плоскостного диода сплавного типа: 1 – вывод эмиттера; 2

–капля алюминия; 3 – слой с проводимостью р-типа (эмиттер); 4–слой с проводимостью n-типа (база); 5 –основание корпуса; 6 – р-п переход; 7 – вывод базы. б)

Типичное конструктивное оформление диода малой мощности (а): 1– активная часть

(монокристалл); 2–металлический корпус; 3 – изоляция (стекло); 4 – вывод эмиттера; 5 –

вывод базы; 6 – защитный компаунд.

29

Проводимость остального объема полупроводника 4 остается электронной. На границе раздела между слоями n – и p – типа возникает электронно-дырочный переход 6; переход относится к плоскостным, если его толщина значительно меньше остальных размеров (длины и ширины).

Монокристалл полупроводника с образованным внутри него p – n –

переходом и представляет собой диод. Капля акцептора 2 играет роль невыпрямляющего (омического) контакта с p – областью; к ней приваривается внешний вывод прибора 1. Пластинка электронного кремния

(база диода) припаяна к корпусу прибора припоем с примесью донорного материала (например, сурьмы), благодаря чему между базой и корпусом образуется невыпрямляющий контакт и корпус служит вторым выводом диода. Область структуры 3 имеющая дырочную проводимость, называется эмиттером диода.

Типичное конструктивное оформление дискретного сплавного диода малой мощности с базой n – типа показано на рисунке 2.1, б. Активная часть прибора 1 (собственно диод) покрыта защитным компаундом 6 и помещена внутрь герметичного металлического (стального) корпуса 2, который заполнен сухим воздухом или инертным газом.

2.2. Принцип действия, характеристики и параметры диодов

Принцип действия диода полностью определяется свойствами электронно-дырочного перехода, подробно изложенными в параграфе 1.3.

Вольт–амперная характеристика диода так же представляет собой характеристику реального p – n – перехода (рисунок 1.10).

Благодаря очень большой величине отношения прямого тока к обратному, кремниевый или германиевый диод представляет собой хороший ключ, почти без потерь пропускающий ток только в одном направлении.

Отметим разницу в характеристиках кремниевых и германиевых диодов

30

(рисунок 2.2), обусловленную главным образом различной шириной запрещенной зоны энергий у кремния (∆ε = 1,12эВ) и германия (∆ε = 0,72

эВ).

Падение напряжения на кремниевом диоде, включенном в прямом направлении, несколько больше чем на германиевом, так как из-за большей величины ∆ε высота потенциального барьера кремниевого p – n – перехода оказывается больше, чем германиевого. При номинальном прямом токе через кремниевый диод падение напряжения на нем составляет 0,8 1,3В, а на германиевом – 0,3 0,5В. Поскольку концентрация свободных носителей ni

кремния значительно меньше, чем ni германия, то обратный ток через кремниевый диод на 2 - 3 порядка меньше, чем обратный ток германиевого диода.

а)				iпр
			60 ма
			50	+70°	20°
							-60°С
			40			А	iпр
			30
			20			uпр
			10
uобр	30 В	20	10				uпр
				0,2	0,4	0,6	0,8 В
	-60°С	20°С		0,1
				0,2
				0,3 ма
	+70°С
				iобр

31

iпр

	б)					60 ма
					50
							+125°				20°			-60°С
					40
					30
					20
uобр 30 В					10									uпр
			20		10
							0,25 0,5				0,75 1,0 1,25 В
	-60°С		20°С

	°С
125
+

0,01

0,015

0,02 ма

iобр

Рисунок 2.2 - Вольтамперные характеристики германиевого (а) и кремниевого (б)

выпрямительных диодов.

Важно отметить значительное влияние температуры окружающей среды на вольт-амперные характеристики диодов. Как уже говорилось, при повышении температуры резко растет обратный ток p – n – перехода

(увеличиваясь примерно в 2 раза на каждые 10° в германиевых диодах и в 2,5

раза – в кремниевых); обратная ветвь вольт – амперной характеристики с ростом температуры смещается вниз (рисунок 2.2).

Значительное понижение температуры (порядка -100°С ÷ 120°С и

ниже), также может привести к потере диодом выпрямительных свойств, так как атомы примеси полупроводникового материала останутся не ионизированными, проводимость слоев окажется близка к собственной и p – n – переход не образуется.

Помимо вольт-амперных характеристик, для правильного использования диодов необходимо знать их эксплуатационные параметры, к

которым относятся электрические величины, определяющие номинальный и предельные режимы работы диода. Этими параметрами для рабочего режима выпрямительных диодов являются:

32