Меню

Ток пробоя диода это



Пробой диода.

При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 1.5). Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-n-переходе (рис.1.5, кривая 1 и 2). Такой пробой называется электрическим. Он может быть туннельным – кривая 2 или лавинным – кривая 1. Либо пробой возникает в результате разогрева p-n-перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, необеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (рис. 1.5, кривая 3). Такой пробой называется тепловым пробоем. Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым. Нормальная работа диода в качестве элемента односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения Uо6р mах. Значение допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5 — 0,8) Uпроб .

Емкости диода. Принято говорить об общей емкости диода Сд , измеренной между выводами диода при заданном напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости С6 , диффузионной емкости Сдиф и емкости корпуса прибора Ск (рис.1.6).

Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенными по обе стороны от границы р-n-перехода.

Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-n-перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении — барьерной емкостью.

Диоды обычно характеризуются следующими параметрами (рис. 2.3):

обратный ток при некоторой величине обратного напряжения Iобр, мкА;

падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод Uпр, в;

емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С, пФ;

диапазон частот, в котором возможна работа без снижения выпрямленного тока fгр, кГц;

Диоды разных типов отличаются своими параметрами и характеристиками. К основным параметрам диода относятся: напряжение накала Uн ток накала Iн, ток эмиссии Iэ, анодное напряжение Uа. Кроме того, диоды различаются по крутизне их характеристики. Чем быстрее нарастает анодный ток диода при увеличении анодного напряжения, тем больше крутизна характеристики диода. Крутизну обозначают S она показывает, на сколько миллиампер увеличивается сила анодного тока диода при повышении анодного напряжения на 1 в:

где ∆Ia— изменение силы анодного тока,

∆Ua — изменение анодного напряжения.

Так, если крутизна диода S —3 ма/в, то это значит, что при увеличении анодного напряжения на 1 в сила анодного тока возрастет на 3 ма.

К параметрам, которыми характеризуется диод, относится также величина его внутреннего сопротивления переменному току. Внутреннее сопротивление диода не постоянно, а зависит от величины и полярности анодного напряжения, приложенного к диоду. Например, когда к аноду приложено отрицательное напряжение, его внутреннее сопротивление практически бесконечно велико и ток через диод не проходит. Наименьшим

внутренним сопротивлением диод обладает в пределах средней прямолинейной части Характеристики, где крутизна имеет наибольшее значение. В нижней части характеристики и в верхней части внутреннее сопротивление лампы увеличивается.

Внутреннее сопротивление лампы обозначается Я;. Оно равна отношению изменения анодного напряжения (∆Ua) к соответствующему изменению анодного тока:

Весьма важным параметром, характеризующим каждую лампу, является величина допустимой мощности рассеяния на аноде. Электроны под влиянием напряжения, приложенного к аноду, развивают большую скорость и поэтому со значительной силой ударяются в него. При этом анод, нагреваясь, может раскалиться и даже расплавиться. Чем больше анодное напряжение, тем больше скорость электронов. Чем больше ток, проходящий через диод, тем большее число электронов одновременно ударяет в анод. Поэтому количество тепла, выделяемого на аноде, зависит от анодного напряжения и анодного тока. Произведение этих двух величин равно мощности рассеяния на аноде:

Выделение тепла на аноде — бесполезная, но неизбежная потеря мощности. При очень сильном нагревании анода лампа выходит из строя. Ввиду этого мощность рассеяния не должна превышать некоторую допустимую для данного типа лампы величину.

Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа. Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты fгр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения.

Обозначение диодов состоит из шести символов:

§ первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):

Г или 1 – германий;
К или 2 – кремний;
А или 3 – соединения галлия;

§ второй символ (буква) указывает подкласс приборов:

А – сверхвысокочастотный ; Б – с объёмным эффектом Ганна; В – варикапы; Г – генераторы шума; Д – выпрямительные, универсальные, импульсные; И – туннельные и обращенные; К – стабилизаторы тока; Л – излучающие; Н – динисторы; С – стабилитроны стабисторы; У – тиристоры; Ц – выпрямительные столбы и блоки;

§ третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – большой мощности, 4 – универсальные и т.д).

§ четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).

§ шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.

Классификация и система обозначений. Классификация современных полупроводниковых диодов (ПД) по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов в соответствии с ГОСТ 20859.1-89.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) – подкласс приборов, третий (цифра) – основные функциональные возможности прибора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения исходного полупроводникового материала используются следующие символы:

Г, или 1 – германий или его соединения; К, или 2 – кремний или его соединения; А, или 3 – соединения галлия; И, или 4 – соединения индия.

Для обозначения подклассов диодов используется одна из следующих букв:

Д – диоды выпрямительные и импульсные; Ц – выпрямительные столбы и блоки; В – варикапы; И – туннельные диоды; А – сверхвысокочастотные диоды; С – стабилитроны; Г – генераторы шума; Л – излучающие оптоэлектронные приборы; О – оптопары.

в зависимости от назначения:

выпрямительные; стабилитроны; варикапы; туннельные; импульсные и др.;

по применяемым исходным материалам:

германиевые; кремниевые; из арсенида галлия;

по технологии изготовления:

сплавные; диффузионные; планарные;

по частотному диапазону:

низкочастотные; высокочастотные; СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по типу р-n-перехода:

Стабилитроны– это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение Uобр. пр,то происходит лавинный пробой рn-перехода, при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б). Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения Iст. макс, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоярn-перехода.

Читайте также:  Как испытывать постоянным током

Основные параметры стабилитрона:

номинальное напряжение стабилизации Uст ном — напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);

минимальный ток стабилизации Iст.min — наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;

максимально допустимый ток стабилизации Iст.max наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.

Дифференциальное сопротивление гст — отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации: гст=DUст/DIст.

К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой ток Imax, максимально допустимый импульсный ток Iпр.и max , максимально допустимую рассеиваемую мощностьР max .

(ТКН) – температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. пр, зависящего, в свою очередь, от ширинырn-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц – 100 кГц. В них используется главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. Главная особенность выпрямительных диодов большие площади p-n-перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение Uпр..ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток Iобр. ср — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение Uобр. mах (Uобр. и mах) – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток Iвп. ср mах — средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Максимальная частота fтах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока за счет односторонней проводимости диодов.

На рис. 5 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Работа выпрямителя происходит следующим образом. Если генератор вырабатывает синусоидальное напряжение,

то в течение положительного (+) полупериода напряжение для диода является прямым, его сопротивление мало, и через резистор проходит ток, который создает на резисторе RН падение напряжения Uвых , повторяющее входное напряжение e(t). В следующий, отрицательный () полупериод, напряжение для диода является обратным, сопротивление диода велико, тока практически нет и, следовательно, Uвых = 0. Таким образом, через диод и RН протекает пульсирующий выпрямленный ток. Он создает на резисторе RН пульсирующее выпрямленное напряжение Uвых .

Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение U ср (за полупериод):

Таким образом, U ср составляет около 30% от максимального значения.

Выпрямленное напряжение обычно используется в качестве напряжения питания электронных схем.

Источник

Раскройте понятие о пробое диода, виды пробоя

date image2015-05-27
views image3356

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Пробой диода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой пробои.

Лавинный пробой (ударная ионизация) является наиболее важным механизмом пробоя p-n-перехода. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения большинства диодов. Пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.

Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещённую зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещённой зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряжённостью электрического поля, то есть наклоном энергетических уровней и зон. Следовательно, условия для туннелирования возникают только при определённой напряжённости электрического поля или при определённом напряжении на электронно-дырочном переходе — при пробивном напряжении. Значение этой критической напряжённости электрического поля составляет примерно 8 10 5 В/см для кремниевых переходов и 3 10 5 В/см — для германиевых. Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит от напряжённости электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода.

Поверхностный пробой (ток утечки). Реальные p-n-переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхостных зарядов между p- и n- областями могут образовываться проводящие плёнки и проводящие каналы, по которым идёт ток утечки Iут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения и может превысить тепловой ток I0 и ток генерации Iген. Ток Iут слабо зависит от температуры. Для уменьшения Iут применяют защитные плёночные покрытия.

Тепловой пробой — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче обратного напряжения практически всё оно падает на p-n-переходе, через который идёт, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся мощность вызывает разогрев p-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. При недостаточном теплоотводе эта мощность вызывает дальнейшее увеличение тока, что приводит к пробою. Тепловой пробой, в отличие от предыдущих, необратим.

Источник

Диоды. Классификация. Отличие между P-N-переходом и диодом. Пробой диодов

Диодом называется электропреобразовательный прибор, содержащий один или несколько переходов и два вывода для подключения к внешней цепи.

По типу p-n-перехода:

· -плоскостные (линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше его толщины)

По области применения:

· — туннельные и др.

По типу исходного материала:

По методу изготовления перехода:

· — диоды Шотки и др.

Ни один диод не выдерживает высоких токов и мощностей.

Пробой диода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-п-переходе (электрический пробой может быть туннельным или лавинным), либо в результате разогрева перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода(тепловой пробой (увеличивается T, уменьшается R следовательно увеличивается ток). Так же есть поверхностный пробой, возникающий при загрязнении поверхности или структуры полупроводника не нужными примесями, и характеризуется появлением паразитного тока (см. рис. ниже). Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения. Возможность теплового пробоя диода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения и температурного диапазона работы. Напряжение пробоя зависит от типа диода и температуры окружающей среды.

При идеальном p –n-переходе:

При нежелательных примесях:

При прохождении прямого тока через диод расходуется некоторая энергия и поэтому происходит небольшое уменьшение напряжения на выходе диода. Это называется падением напряжения на диоде. У кремниевых диодов это обычно 0.7 В и слабо зависит от тока. Поведение диода хорошо видно на вольт-амперной характеристике диода.

Читайте также:  Электрический ток в плазме носители заряда

Выпрямительные диоды.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Работа выпрямительных диодов основана на использовании вентильного эффекта – односторонней проводимости p-n-перехода. Наибольшее применение нашли кремниевые, германиевые, диоды с барьером Шотки.

В зависимости от величины выпрямляемого тока различают диоды малой мощности (Iпp max

У стабилитронов до напряжения 5,6 вольт преобладает туннельный пробой с отрицательным температурным коэффициентом, выше 5,6 вольт доминирующим становится лавинный пробой с положительным температурным коэффициентом. При напряжении, примерно равном 5,6 вольт, оба эффекта уравновешиваются, поэтому выбор такого напряжения стабилизации является одним из способов снижения его зависимости от температуры.

Режим электрического пробоя p-n-перехода находит практическое применение для стабилизации напряжения. Такие приборы называются стабилитронами. Для изготовления стабилитронов используется кремний. Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке.

Для работы используется обратная ветвь, где значительному изменению тока соответствует малое изменение напряжения. Точка А соответствует устойчивому пробою и определяет величину минимального тока Imin. После точки А ток резко возрастает и допустимая величина его Imax ограничивается лишь мощностью рассеяния P max:

где – напряжение стабилизации.

Рабочую точку на характеристике выбирают посередине рабочего участка, т.е.

Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя p-n-перехода, зависит от концентрации примесей и лежит в пределах 4 – 200 В.

Схема простейшего стабилизатора с использованием стабилитрона показана на рисунке. Резистор r является гасящим и одновременно задаёт рабочую точку. Величина сопротивления r должна быть значительно больше величины дифференциального сопротивления стабилитрона.

При изменении температуры напряжение стабилизации может изменяться.

Напряжение стабилизации Uст. ном – падение напряжения на стабилитроне

при номинальном значении тока Iст. Минимальный и максимальный ток стабилизации Iст min, Iст max. Дифференциальное сопротивление . Статическое сопротивление в рабочей точке . Коэффициент качества стабилитрона . Температурный

коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации – отношение относительного изменения напряжения стабилизации к изменению температуры

.

Источник

Полупроводниковые диоды, p-n-переход, виды пробоев, барьерная емкость, диффузионная емкость

Устройство диода

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий 2 вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.2, а, б.

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа.

Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n ) сильно различаются. Слой полупроводника, имеющий большую концентрацию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концентрацию — базой.

рис 1.2

Далее рассмотрим основные элементы диода (p-n-переход и невыпрямляющий контакт металл-полупроводник), физические явления, лежащие в основе работы диода, а также важные понятия, использующиеся для описания диода.

Глубокое понимание физических явлений и владение указанными понятиями необходимо не только для того, чтобы правильно выбирать конкретные типы диодов и определять режимы работы соответствующих схем, выполняя традиционные расчеты по той или иной методике.

В связи с быстрым внедрением в практику инженерной работы современных систем схемотехнического моделирования эти явления и понятия приходится постоянно иметь в виду при выполнении математического моделирования.

Системы моделирования быстро совершенствуются, и математические модели элементов электронных схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» физические явления. Это делает весьма желательным постоянное углубление знаний в описываемой области и необходимым понимание основных физических явлений, а также использование соответствующих основных понятий.

Приведенное ниже описание основных явлений и понятий, кроме прочего, должно подготовить читателя к систематическому изучению вопросов математического моделирования электронных схем.

Рассматриваемые ниже явления и понятия необходимо знать при изучении не только диода, но и других приборов.

  1. Структура p-n-перехода.
  2. Пробой p-n-перехода.
  3. Туннельный пробой.
  4. Лавинный пробой.
  5. Тепловой пробой.
  6. Барьерная емкость.
  7. Общая емкость p-n-перехода.
  8. Невыпрямляющий контакт металл-полупроводник.

Структура p-n-перехода.

рис 1.3

Вначале рассмотрим изолированные друг от друга слои полупроводника (рис. 1.3).

рис 1.4

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.4).

В отечественной литературе по электронике уровни зонных диаграмм и разности этих уровней часто характеризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя их в вольтах, например, указывают, что ширина запрещенной зоны ф5 для кремния равна 1,11 В.

В то же время зарубежные системы схемотехнического моделирования реализуют тот подход, что указанные уровни и разности уровней характеризуются той или иной энергией и измеряются в электрон-вольтах (эВ), например, в ответ на запрос такой системы о ширине запрещенной зоны в случае кремниевого диода вводится величина 1,11 эВ.

В данной работе используется подход, принятый в отечественной литературе.

рис 1.5

Теперь рассмотрим контактирующие слои полупроводника (рис. 1.5).

В контактирующих слоях полупроводника имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n (существует градиент концентрации дырок). Аналогичная причина обеспечивает диффузию электронов из слоя n в слой p.

Диффузия дырок из слоя p в слой n, во-первых, уменьшает их концентрацию в приграничной области слоя p и, во-вторых, уменьшает концентрацию свободных электронов в приграничной области слоя n вследствие рекомбинации. Подобные результаты имеет и диффузия электронов из слоя n в слой p. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление.

Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют нескомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью E , указанной на рис. 1.5. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n.

В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному, обусловленному градиентом концентрации. В несимметричном p-n-переходе более протяженным является заряд в слое с меньшей концентрацией примеси, т. е. в базе.

рис 1.6

Изобразим зонную диаграмму для контактирующих слоев (рис. 1.6), учитывая, что уровень Ферми для них является единым.

Рассмотрение структуры p-n-перехода и изучение зонной диаграммы (рис. 1.6) показывают, что в области перехода возникает потенциальный барьер. Для кремния высота Аф потенциального барьера примерно равна 0,75 В.

рис 1.7

Примем условие, что потенциал некоторой удаленной от перехода точки в слое p равен нулю. Построим график зависимости потенциала Ф от координаты x соответствующей точки (рис. 1.7). Как видно из рисунка, значение координаты x = 0 соответствует границе слоев полупроводника.

Важно отметить, что представленные выше зонные диаграммы и график для потенциала Ф (рис. 1.7) строго соответствуют подходу, используемому в литературе по физике полупроводников, согласно которому потенциал определяется для электрона, имеющего отрицательный заряд.

В электротехнике и электронике потенциал определяют как работу, совершаемую силами поля по переносу единичного положительного заряда.

рис 1.8

Построим график зависимости потенциала Фэ, определяемого на основе электротехнического подхода, от координаты x (рис. 1.8).

Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем опускать и использовать только электротехнический подход (за исключением зонных диаграмм).

Прямое и обратное включение p-n-перехода. Идеализированное математическое описание характеристики перехода.

рис 1.9 - 1.10

Подключим к p-n-переходу внешний источник напряжения так, как это показано на рис. 1.9. Это так называемое прямое включение p — n -перехода. В результате потенциальный барьер уменьшится на величину напряжения u (рис. 1.10), дрейфовый поток уменьшится, p — n -переход перейдет в неравновесное состояние, и через него будет протекать так называемый прямой ток.

рис 1.11 - 1.12

Подключим к p-n-переходу источник напряжения так, как это показано на рис. 1.11. Это так называемое обратное включение p-n -перехода. Теперь потенциальный барьер увеличится на напряжение u (рис. 1.12). В рассматриваемом случае ток через p-n-переход будет очень мал. Это так называемый обратный ток, который обеспечивается термогенерацией электронов и дырок в областях, прилегающих к области p-n-перехода.

рис 1.13

Обозначим через u напряжение на p-n-переходе, а через i — ток перехода (рис. 1.13).

Для идеального p-n-перехода имеет место следующая зависимость тока i от напряжения u:i = is · e u/φr — 1), причем φ т = kT/q где is — ток насыщения (тепловой ток), индекс s — от английского “saturation current”, для кремниевых диодов обычно is = 10 -15 … 10 -22 А;

Читайте также:  Как измерить ток холостого хода электродвигателя

к — постоянная Больцмана, к = 1,38 •10 -23 Дж/К = 8,62 • 10 -5 эВ/К;

Т — абсолютная температура, К;

q — элементарный заряд, q = l,6•10 -19 Кл;

φт— температурный потенциал, при температуре 20°С (эта температура называется комнатной в отечественной литературе) φт = 0,025 В, при температуре 27°С (эта температура называется комнатной в зарубежной литературе) φт = 0,026 В.

рис 1.14

Изобразим график зависимости тока i от напряжения u , которую называют вольтамперной характеристикой p-n-перехода (рис. 1.14).

рис 1.15

Полезно отметить, что, как следует из приведенного выше выражения, чем меньше ток is, тем больше напряжение u при заданном положительном (прямом) токе. Учитывая, что ток насыщения кремниевых ( Si ) переходов обычно меньше тока насыщения германиевых ( Ge) переходов, изобразим соответствующие вольтамперные характеристики (рис. 1.15).

Пробой p-n-перехода.

Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода rдиф , которое определяется выражением: r диф=du/di где u — напряжение на переходе; i— ток перехода (см. рис. 1.13).

После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока.

В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным).

рис 1.16

Изобразим соответствующий участок вольтамперной характеристики p-n-перехода (рис. 1.16).

В основе пробоя p-n-перехода лежат три физических явления:·-туннельного пробоя p-n-перехода (эффект, явление Зенера);

— лавинного пробоя p — n-перехода;·

— теплового пробоя p — n -перехода.

Термин «пробой» используется для описания всей совокупности физических явлений и каждого отдельного явления.

И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Туннельный пробой.

Его называют также зенеровским пробоем по фамилии (Zener) ученого, впервые описавшего соответствующее явление в однородном материале. Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процессы при пробое перехода, в основе которых лежал лавинный пробой.

В иностранной литературе до сих пор называют диодами Зенера стабилитроны (диоды, работающие в режиме пробоя) независимо от того, используется туннельный или лавинный пробой.

Напряжение, при котором начинается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяснения механизма туннельного пробоя схематически изобразим соответствующую зонную диаграмму p-n-перехода (рис. 1.17).

рис 1.17

Если геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина, толщина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект — явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в p — n-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.

Лавинный пробой.

рис 1.18

Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах, схематично явление лавинного пробоя изобразим на рис. 1.18.

Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление).

Тепловой пробой.

Увеличение тока при тепловом пробое объясняется разогревом полупроводника в области p -n-перехода и соответствующим увеличением удельной проводимости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если полупроводник — кремний, то при увеличении обратного напряжения тепловой пробой обычно возникает после электрического (во время электрического пробоя полупроводник разогревается, а затем начинается тепловой пробой).

После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (соответствующий полупроводниковый прибор выходит из строя).

Явление изменения нескомпенсированных объемных зарядов в области p-n-перехода.

Барьерная емкость.

Как уже отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок через p-n-переход в области перехода возникают нескомпенсированные объемные (пространственные) заряды ионизированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока.

Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое в свою очередь самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т. е. на процесс протекания тока.

При увеличении обратного напряжения область пространственных зарядов (главным образом за счет базы) и величина заряда в каждом слое (p и n) полупроводника увеличиваются. Это увеличение происходит непропорционально: при большом по модулю обратном напряжении заряд увеличивается при увеличении модуля напряжения медленнее, чем при малом по модулю обратном напряжении.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.19), где используем обозначения:

Q — пространственный заряд в слое n полупроводника;

рис 1.19

u — внешнее напряжение, приложенное к p — n -переходу.

Обозначим через f функцию, описывающую зависимость Q от u . В соответствии с изложенным

рис 1.20 - 1.21

В практике математического моделирования (и при ручных расчетах) удобно и поэтому принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. На практике широко используют так называемую барьерную емкость С6арp-n-перехода, причем по определению С6ар = | dQ / du | Изобразим графики для Q (рис. 1.20) и C бар (рис. 1.21).

Явление возникновения и изменения объемного заряда неравновесных носителей электричества. Диффузионная емкость.

Если напряжение внешнего источника напряжения смещает p-n-переход в прямом направлении (u> 0), то начинается инжекция (эмиссия) — поступление неосновных носителей электричества в рассматриваемый слой полупроводника. В случае несимметричного p-n-перехода (что обычно бывает на практике) основную роль играет инжекция из эмиттера в базу.

Далее предполагаем, что переход несимметричный и что эмиттером является слой p , а базой — слой n . Тогда инжекция — это поступление дырок в слой n . Следствием инжекции является возникновение в базе объемного заряда дырок.

Известно, что в полупроводниках имеет место явление диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла), которое состоит в том, что возникший объемный заряд практически мгновенно компенсируется зарядом подошедших свободных носителей другого знака. Это происходит за время порядка 10 -12 с или 10 -11 с.

В соответствии с этим поступивший в базу заряд дырок будет практически мгновенно нейтрализован таким же по модулю зарядом электронов.

Q — объемный заряд неравновесных носителей в базе;

u — внешнее напряжение, приложенное к p — n -переходу;

f — функция, описывающая зависимость Q от u.

рис 1.22 - 1.23

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.22).

В соответствии с изложенным Q = f( u ) На практике удобно и принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. При этом используют понятие диффузионной емкости C диф p-n-перехода, причем по определению C диф = dQ / du Емкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе.

C диф удобно и принято описывать не как функцию напряжения u , а как функцию тока i p-n-перехода.

Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.23, а). В свою очередь ток i экспоненциально зависит от напряжения u (соответствующее выражение приведено выше), поэтому производная di / du также прямо пропорциональна току (для экспоненциальной функции ее производная тем больше, чем больше значение функции). Отсюда следует, что емкость Сдиф прямо пропорциональна току i (рис.1.23,6):

Cдиф=i·τ/φт где φт — температурный потенциал (определен выше);

τ — среднее время пролета (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).

Среднее время пролета — это время, за которое инжектируемые носители электричества проходят базу, а время жизни — время от инжекции носителя электричества в базу до рекомбинации.

Общая емкость p-n-перехода.

Эта емкость Спер равна сумме рассмотренных емкостей, т. е. Спер = Сбар + Сдиф.

рис 1.24

При обратном смещении перехода ( u

Как следует из диаграммы, энергетические уровни в полупроводнике, соответствующие зоне проводимости, заполнены меньше, чем в металле. Поэтому после соединения металла и полупроводника часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Это приведет к увеличению концентрации электронов в полупроводнике типа n.

Таким образом, проводимость полупроводника в области контакта окажется повышенной и слой, обедненный свободными носителями, будет отсутствовать. Указанное явление оказывается причиной того, что контакт будет невыпрямляющим. Для получения невыпрямляющего контакта металл-полупроводник p-типа необходимо выполнение условия φмп> 0

Источник