4. Емкости p-n перехода, причины их возникновения и влияние на частотные свойства полупроводниковых приборов

Емкость p-n-перехода равна сумме так называемых барьерной и диффузионной емкостей.

Барьерная (или зарядная) емкость характеризуется сосредоточением по обе стороны границы раздела p и n-слоев объемных зарядов, создаваемых ионами примесей. Физическим аналогом барьерной емкости приближенно может служить емкость плоского конденсатора. Наличие барьерной емкости проявляется протеканием тока через p-n-переход вследствие изменения объемных зарядов (а следовательно, ширины p-n-перехода) при изменении напряжения на переходе и определяется соотношением c_б = dQ/dU. Зарядная емкость возрастает с уменьшением толщины p-n-перехода, т. е. при снижении обратной напряжения. Она выше при прямых напряжениях, чем при обратных Величина барьерной емкости зависит от площади p-n-перехода и может составлять десятки и сотни пикофарад. Зависимость барьерной емкости p-n-перехода от обратного напряжения используется в варикапах (параметрических диодах-), применяемых в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением. В отличие от барьерной емкости, определяемой шириной обласп объемного заряда p-n-перехода, диффузионная емкость обусловливается изменением суммарных зарядов неравновесных электронов и дырок соответственно слева и справа от p-n-перехода в результате изменения напряжения на нем (см. рис. 1.9, в). Так как эти заряды создаются за счет диффузии (инжекции) носителей через; p-n-переход, диффузионную емкость следует учитывать при прямом напряжении смещения. В несимметричных p-n-переходах, для которых p_p”n_n диффузионная емкость определяется преимущественно суммарным зарядом неравновесных дырок в n-слое, величина которого изменяется при изменении прямого напряжения. Величина диффузионной емкости зависит от протекающего через р-п-переход прямого тока и может составлять сотни и тысячи пикофарад, т. е. она существенно больше барьерной емкости. Таким образом, при прямых напряжениях смещения емкость р-n-перехода определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратных напряжениях, когда диффузионная емкость равна нулю, — барьерною емкостью.

6. Полупроводниковые диоды, их классификация, характеристики, условные графические и буквенные обозначения, область применения, основные электрические параметры Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-п-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых диодов приведены на рис.

Как видно, все полупроводниковые диоды подразделяют на два класса: точечные и плоскостные.

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n-

типа толщиной 0,1—0,6 мм и площадью 0,5—1,5 мм²; с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка. Из-за малой площадиконтакта прямой ток таких диодов сравнительно невелик. Потой же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ-диоды).Точечные диоды используют в основном для выпрямления. В плоскостных диодах р-n-переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у полупроводников различных типов лежит в пределах от сотых долей квадратного микрометра (микроплоскостные диоды) до нескольких квадратных сантиметров (силовые диоды). Электрические характеристики плоскостного диода определяются характеристиками р-n-перехода. Выпрямительный полупроводниковый диод — полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления переменного тока. Вольт-амперные характеристики выпрямительного кремниевого диода средней мощности приведены на рис.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать 85°С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до 150°С.

В случае приложения к диоду большого обратного напряжения может произойти лавинный пробой р-n-перехода, обратный ток при этом резко увеличивается, что, вызывает разогрев диода, дальнейший рост тока и, как следствие, тепловой пробой и разрушение р-n-перехода.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются: прямое напряжение U_пр которое нормируется при определенном прямом токе Iпр; максимально допустимый прямой ток диода Iпрmах; максимально допустимое обратное напряжение диода Uобpmax; об­ратный ток диода Iобр, который нормируется при определенном обратном напряжении Uобр. Для получения более высокого обратного напряжения диоды можно включать последовательно. Туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперных характеристиках при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью.Материалом для туннельных диодов служит сильнолегированный германий или арсенид галлия. Основными параметрами туннельного диода являются ток пика Iп и отношение тока пика к току впадины Iп/Iв. Для выпускаемых диодов Iп=0,11000 мА и Iп/Iв= 520.Туннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и импульсных переключателях. Обращенный диод — диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Обращенные диоды представляют собой разновидность туннельных диодов, у которых ток пика Iп=0. Обращенные диоды обладают вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где выпрямительные диоды обычно вентильными свойствами не обладают. Варикап — полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости р-n-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. В качестве полупроводникового материала для изготовления варикапов служит кремний.Основными параметрами варикапа являются общая емкость Се, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении Uобр==25 В, и коэффициент перекрытия по емкости Kc=Cmax/Cmin Для большинства выпускаемых варикапов С=10500 пФ и Kс=

520. Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов. Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды. В этих трех типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое р-n-перехода. Магнитодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменениевольт-амперной характеристики под действием магнитного поля. В качестве магнитодиодов используют выпрямительные диоды на основе германия или кремния с увеличенной толщиной полупроводникового материала. Основным параметром магнитодиода является его чувствительность =Uпр/(BI), где U и B —приращение соответственно прямого напряжения магнитной индукции. Диапазон значений =(1050)*10³B/(Tл*мА).Тензодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действием механических деформаций.В качестве тензодиодов обычно применяют туннельные диоды, у которых отдельные участки вольт-амперной характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.