200101_jeimpt_lr_2012

Рисунок 1.1 – Резкий p-n- переход и распределение объемного заряда в нем

кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако, для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом – не пропускает [6].

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 1.1, а. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (N-область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (Р-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Электроны в N-области стремятся проникнуть в Р-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р-об- ласти 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 уста- а)
	навливается динамическое равнове-
	сие и при замыкании N- и Р-областей
	ток в цепи не протекает. Распределе-
	ние плотности объемного заряда в	б)
	переходе приведено на рис. 1.1, б.
	При этом внутри кристалла на
	границе раздела возникает собствен-

ное электрическое поле ЕСОБСТВ, направление которого показано на

рис. 1.1, б. 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.

11

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:

					ln	N n Pp	,	(1.1)
		K		T		ni2

где T kTq – тепловой потенциал, Nn и Рp, – концентрации электронов и дырок в N- и Р- областях, ni – концентрация носителей зарядов в нелегированном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6...0,7 В, а для кремния – 0,9... 1,2 В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения

кр-n-переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Вольтамперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности приложенного напряжения. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его – обратным. Приложение прямого и обратного напряжения

кp-n-переходу показано на рис. 1.2.

12

Рисунок 1.2 – Приложение обратного (а) и прямого (б) напряжения к p-n-переходу

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

IОБР = IS.

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, су-

13

щественно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление называется инжекция 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:

I ДИФ IS exp U T ,

(1.2)

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 (1.2) и тока проводимости:

I ПР I ДИФ IS IS exp U T 1 .

(1.3)

Уравнение (1.3) называется уравнением Эберса – Молла, а соответствующая ему вольтамперная характеристика p-n-перехода приведена на рис. 1.3. Поскольку при T = 300 K тепловой потенциал Т = 25 мВ, то уже при U = 0,1 В можно считать, что

I I ДИФ IS exp U T .

(1.4)

Дифференциальное сопротивление p-n-перехода можно определить, воспользовавшись формулой (1.3):

1		dI		1	I I S ,
rДИФ
		dU		T

откуда получаем

	rДИФ	T	.	(1.5)
		I I S

14

Рисунок 1.3 – Вольтамперная характеристика p-n-перехода

Так, например, при токе I = 1 А и T = 25 мВ дифференциальное сопротивление перехода равно 25 МОм.

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов К. 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. 1.3.

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 dqdU . Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной и определяется по формуле

Cбар Сбар 0 1 U K , (1.6)

где к – контактная разность потенциалов, U – обратное напряже-

ние на переходе, Сбар(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. 1.4.

15

Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n-переходе, однако она шунтируется низким дифференциальным сопротивлением rДИФ. При прямом

смещении p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямого тока I и времени жизни неосновных носителей 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

		I			Рисунок 1.4 – Зависимость
	С ДИФ		p .	(1.7)	барьерной емкости от
		T			напряжения на p-n-переходе

Полная емкость перехода при прямом смещении определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей

С С ДИФ СБАР .

При обратном смещении перехода диффузионная емкость отсутствует, и полная емкость определяется только барьерной емкостью.

Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) p-n-переходов [7]. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n- переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные

иточечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные

иэпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p- n-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из

16

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 5кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

При большом токе через p-n-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода с учетом выражения (1.4) приобретает вид

I IS exp U IR T ,

(1.8)

где R – сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 1.5, а, а его структура на рис. 1.5, б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом (по аналогии с электровакуумным диодом), а электрод, подключенный к области N, – катодом.

Рисунок 1.5 – Условное обозначение полупроводникового диода (а), его структура (б) и вольтамперная характеристика (в)

17

Статическая вольтамперная характеристика диода показана на рис. 1.5,

в.

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся [8, 9]:

–падение напряжения Uпр при некотором значении прямого тока;

–обратный ток Iобр при некотором значении обратного напряжения;

–среднее значение прямого тока Iср;

–импульсное обратное напряжение Uобр.и.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики:

–время восстановления tвос обратного напряжения;

–время нарастания прямого тока Iнар;

–предельная частота без снижения режимов диода fmax.

18

Статические параметры можно определить по вольтамперной характеристике диода (рис. 1.5, в).

б)

а)

Рисунок 1.6 – Графики процессов отпирания и запирания диода (а), схема включения (б)

Время обратного восстановления диода tвос является основным па-

раметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпр на заданное обратное напряжение Uобр. Графики такого переключения приведены на рис. 1.6, а. Схема включения (см. рис. 1.6, б) представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку Rн и питаемый от источника напряжения прямоугольный формы.

Напряжение на входе схемы в момент времени t 0 скачком приобретает положительное значение Um. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени tнар. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается

19

напряжение на диоде, которое после tнар становится равным Uпр. В момент времени t1 в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода i Iн Um Rн .

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 tрас 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 –Um. Таким образом, время tвос можно отсчитывать от перехода UД через нуль до достижения током диода значения IД=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
		рас 0,35 Р ,		(1.9)

где р — время жизни неосновных носителей.

Время восстановления обратного напряжения на диоде можно оценить по приближенному выражению

					I
t			ln 1			пр	.	(1.10)
в ос		p
					Iобр

Следует отметить, что при Rн = 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.

20