Полупроводниковые диоды

Под пробоем p-n перехода обычно понимают резкое увеличение обратного тока Iобр при увеличении обратного напряжения Uобр до некоторого значения Uпроб, называемого напряжением пробоя.

В зависимости от процессов, имеющих при этом место, пробой перехода может быть обратимым или необратимым.

Обратимым называют такой пробой перехода, когда после устранения причины его вызвавшей, т.е. уменьшения обратного напряжения, происходит резкое уменьшение обратного тока до прежнего значения. При этом не происходит никаких изменений в кристаллической структуре материалов, образующих p-n переход. Обратимый пробой может повторяться сколь угодно раз в процессе эксплуатации прибора.

Необратимым считается пробой приводящий к разрушению кристаллической структуры перехода, когда после уменьшения обратного напряжения обратный ток остаётся большим, при этом свойства перехода не восстанавливаются, прибор приходит в негодность.

Различают три основных механизма пробоя: туннельный (зенеровский или полевой), лавинный и тепловой.

3.8.1. Туннельный пробой.

Сущность туннельного эффекта состоит в том, что при большой напряжённости поля, когда энергетические зоны соседних областей занимают положение показанное на рисунке, электроны валентной зоны p-области могут без изменения своей энергии переходить на валентные уровни n-области. Туннельный пробой обычно начинается при напряжённости поля 2·10⁷ В/м для германия и 2·10⁸ для кремния.

Такая высокая напряжённость поля характерна для узких переходов, т.е. для полупроводников с высокой степенью легирования.

Туннельный пробой носит обратимый характер и широко используется для создания полупроводниковых приборов основанных на этом эффекте.

3.8.2. Лавинный пробой.

Лавинный пробой развивается в p-n переходах образованных слаболегированными полупроводниками, когда ширина перехода достаточно велика. При лавинном пробое носители в p-n переходе разгоняясь до больших скоростей приобретают высокую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристаллической решётки. Высвободившиеся при этом электроны, также приобретая большие энергии, ионизируют всё большее число атомов в переходе. При некотором значении напряжения этот процесс переходит в лавинообразный. Происходит резкое увеличение обратного тока – пробой перехода. Также как и туннельный лавинный пробой носит обратимый характер и также используется для создания различных п/п приборов.

3.8.3. Тепловой пробой.

Этот вид пробоя p-n перехода наступает в том случае, если количество тепла, выделяющегося в переходе в единицу времени, пропорциональное мощности рассеиваемой на переходе, становится больше количества тепла отводимого от p-n перехода в единицу времени. В этом случае температура перехода растёт, что приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда, а следовательно к увеличению обратного тока и ещё большему разогреву перехода. Температура и ток лавинно нарастают, причем при повышенной температуре большие значения тока могут иметь место при меньших напряжениях на переходе, чем то напряжение при котором началось резкое увеличение тока, т.е. напряжение пробоя.

P_рас = U_обр · I_обр P_отв = (Т_пер – T_окр) / R _T, где P_рас – мощность рассеиваемая на переходе, P_отв – мощность отводимая от перехода, Т_пер – температура p-n перехода, T_окр - температура окружающей среды, R _T - тепловое сопротивление.

Германиевым переходам более присущ тепловой пробой из-за свойственного им большого обратного тока, т.е. в таких приборах тепловой пробой наступает при меньших значениях обратного напряжения, чем туннельный или лавинный пробой. Для кремниевых приборов характерным является туннельный или лавинный пробой, в зависимости от степени легирования. Тепловой пробой в кремниевых приборах обычно развивается в результате разогрева перехода при туннельном или лавинном пробое, в условиях недостаточного теплоотвода.

Полупроводниковый диод представляет собой двухэлектродный прибор, основу которого составляет обычно несимметричный p-n переход. В зависимости от сочетания материалов, применяемых при изготовлении перехода, количества и качества вводимых примесей, а также конфигурации и технологии изготовления полупроводниковые диоды имеют разнообразные характеристики и параметры, определяющие их назначение и область применения.

4.1. Выпрямительные плоскостные диоды.

Это большая группа диодов, предназначенных для преобразования (выпрямления) переменного напряжения низкой частоты от 50 Гц до 200 КГц в постоянное напряжение. Их также называют силовыми диодами. Различают силовые диоды – германиевые и кремниевые.

Германиевые плоскостные диоды изготавливаются методом вплавления индия в германий n –типа, а кремниевые вплавлением алюминия, или сплава олова с фосфором, или золота с сурьмой в кремний p- типа. Применяются и диффузионные методы.

В справочной литературе приводятся наихудшие значения параметров для данного типа диода.

Основными параметрами выпрямительных диодов, приводимыми в справочниках, являются:

1. -максимально допустимое обратное постоянное напряжение.

2. -максимально допустимое обратное импульсное напряжение, при скважности не превышающей указанное значение , где и - соответственно длительность и период следования импульсов обратного напряжения любой формы.

3. ,()-максимально допустимое значение прямого (выпрямленного) тока.

4. -максимально допустимое значение прямого импульсного тока, при заданной скважности импульсов.

5. -максимально возможное значение обратного тока диода, при заданном значении обратного напряжения.

6. -максимальная частота выпрямления, которая определяется следующим образом:

Измеряется среднее выпрямленное значение напряжения на выходе выпрямителя при частоте генератора 50 Гц. Затем частота повышается до тех пор, пока выходное напряжение не уменьшится до оговоренной заранее величины, -например до от значения при частоте 50 Гц.

Отсчитанное при этом значение частоты принимается за .

7. -рабочий диапазон температур. У современных диодов он лежит в пределах от –60^о до +125^о С. Все параметры диодов приводятся обычно при комнатной температуре .

Плоскостные выпрямительные диоды бывают малой, средней и большой мощности, что соответствует значениям до 300мА, от 300мА до 10А и свыше 10А, а обратные напряжения лежат в пределах от 50В до 1500В. Их вольтамперные характеристики по виду и поведению совпадают с ВАХ реального p-n перехода. Из за большой емкости перехода плоскостные диоды непригодны для выпрямления высокочастотных колебаний (детектирования). Для этой цели разработаны точечные диоды.

4.2. Высокочастотные диоды

В высокочастотных диодах с целью уменьшения емкости перехода уменьшают его площадь S.

В зависимости от способа изготовления перехода с малой площадью различают точечные и микросплавные (микроплоскостные) диоды. Последние имеют несколько большую площадь перехода и пригодны для работы на частотах до 20МГц.

Германиевые точечные диоды обычно изготавливаются из n –германия к которому подпружинивают проволочку (иглу) из бериллиевой бронзы или вольфрама, покрытого индием. Для кремниевых точечных диодов используют n –кремний и иглу покрытую алюминием, который служит акцептором. Вся конструкция помещается в стекляный корпус с герметично впаяными выводами. Однако p-n перехода здесь ещё нет.

Затем следует процесс формовки импульсом тока определённой амплитуды и длительности. В результате точечного разогрева из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, создающие область с противоположным типом проводимости.

Таким образом, в месте контакта иглы с полупроводником образуется миниатюрный p-n переход полусферической формы.

Малая площадь перехода ограничивает величину прямого тока значениями порядка 100мА, но барьерная ёмкость перехода большинства точечных диодов не превышает значения в 1пФ, хотя их диффузионная ёмкость сравнительно велика. до 150В.

Особенностью ВАХ точечного диода является отсутствие участка насыщения на обратной ветви, значительные ток утечки и тепловой ток, из за ухудшенного отвода тепла от перехода. Сопротивление растекания определяется областью полупроводника вблизи p-n перехода где сгущаются линии тока.

4.3. Опорные диоды или кремниевые стабилитроны

Так называются диоды в которых лавинный или туннельный пробой p-n перехода используется с целью стабилизации напряжения. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок обратной ветви, соответствующий пробою.

Наличие участка АБ, где малому изменению напряжения соответствует большое изменение тока, позволяет использовать стабилитроны в качестве стабилизаторов напряжения или эталонных (опорных) источников напряжения. Германиевые диоды здесь не могут быть использованы, т.к. им свойственен тепловой (необратимый) пробой.

Если входное напряжение изменить на ΔU_нест, то ток через стабилитрон получит приращение ΔI_ст, а

выходное напряжение . Так как подставляя получим:

или Отсюда следует, что чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона тем меньше изменение выходного напряжения вызванное изменением входного.

Такой стабилизатор напряжения называется параметрическим.

4.3.1. Параметры стабилитронов.

1. -номинальное напряжение стабилизации – падение напряжения на стабилитроне при заданном значении тока. Как у отечественных, так и у зарубежных стабилитронов эта величина лежит в пределах от 2 до 300 В. Низковольтные стабилитроны (от 2 до5 В) изготавливаются на основе сильно легированного кремния и в них имеет место туннельный пробой. В стабилитронах с U_ст.ном от 5 до 7 В одновременно имеет место как туннельный, так и лавинный пробой, при U_ст.ном выше 10 В основную роль играет лавинный пробой.

2. и -соответственно минимальный и максимальный ток стабилизации. Минимальный ток стабилизации ограничивается условием существования устойчивого пробоя и имеет порядок единиц – десятков миллиампер. максимальный ток стабилизации ограничен допустимым перегревом

перехода т.е. максимальной мощностью рассеивания . У современных стабилитронов I_ст.мах лежит в пределах от единиц миллиампер до единиц ампер, а P_мах от сотен милливатт до единиц ватт.

3. -дифференциальное сопротивление на рабочей ветви ВАХ от десятых долей Ом у мощных низковольтных стабилитронов, до сотен Ом у высоковольтных. Этот параметр в основном определяется сопротивлением толщи

полупроводника за пределами p-n перехода. У наиболее распространённых в употреблении маломощных, низковольтных стабилитронов эта величина лежит в пределах 10-50 Ом.

4. -температурный коэффициент напряжения. Его размерность % / C^o.

Величина и знак ТКН зависят от характера пробоя. Туннельный эффект характеризуется отрицательным ТКН, а лавинный положительным. Наименьший ТКН имеют стабилитроны с номинальным напряжением стабилизации около 5,6В.

4.3.2. Термокомпенсированные стабилитроны.

Для уменьшения ТКН лавинных стабилитронов встречно – последовательно с ними включают один или два обычных диода, которые оказываются смещены в прямом направлении, в то время как сам стабилитрон смещён в обратном. Таким образом достигается компенсация увеличения напряжения на стабилитроне при возрастании температуры, за счет уменьшения напряжения на смещеннном в прямом направлении диоде.

Примером таких стабилитронов, которые называются термокомпенсированными служит отечественный стабилитрон Д818, у которого последовательно со стабилитроном включены два компенсационных p-n перехода.

4.4. Варикапы.

Варикапами, варикондами или параметрическими диодами называют полупроводниковые диоды, используемые в качестве переменной ёмкости, управляемой напряжением. Здесь используется свойство перехода изменять свою барьерную ёмкость при изменении приложенного к нему обратного напряжения. Диффузионная ёмкость для этих целей не используется т.к. она шунтируется малым дифференциальным сопротивлением перехода, смещённого в прямом направлении.

Варикапы предназначаются для работы в параметрических усилителях, преобразователях постоянного напряжения в переменное высокой частоты, измерительных усилителях, в качестве элемента настройки высокочастотных контуров.

На рисунках приведены зависимость ёмкости варикапа Д902 от напряжения на нём пример его использования и эквивалентная схема.

Конденсатор С_р служит для того, чтобы постоянное напряжение подаваемое на варикап через сопротивление R₁ не замыкалось через катушку индуктивности колебательного контура L₁С₁.

4.4.1. Параметры варикапов

1. -добротность варикапа есть отношение реактивной мощности , запасаемой барьерной ёмкостью, к мощности

потерь , где φ – угол между напряжением и током.

На низких частотах можно пренебречь R_б, тогда Q_нч = 2·π·f·R_д·C_бар, а на высоких R_д, тогда Q_нч = (2·π·f·R_б·C_бар)^-1. Отсюда видно, что для повышения добротности надо уменьшать сопротивление базы.

2. -номинальная ёмкость при заданных: обратном напряжении, частоте и температуре.

3. -коэффициент перекрытия по емкости.

4. -температурный коэффициент емкости.

5. -допустимое обратное напряжение.

6. -максимальный обратный ток.

7. -рабочий диапазон температур.

4.5. Импульсные диоды.

Это диоды, которые предназначены для работы в импульсных схемах: широкополосных ограничителях, элементах цифровых вычислительных машин, ключевых устройствах, формирователях коротких импульсов и т.д. В таких схемах напряжения и токи могут меняться скачкообразно. При этом приходится учитывать инерционность процессов накопления и рассасывания зарядов на границах p-n перехода.

Рассмотрим два наиболее часто встречающихся на практике режима.

4.5.1. Прохождения прямоугольного импульса прямого тока через диод.

Считая, что E>>U_д имеем I_пр.и = E / R. Вследствие инерционности процессов диффузии стационарное распределение концентрации неосновных неравновесных носителей заряда в базе диода, соответствующее току I_пр.и, не может установиться мгновенно. В области базы, примыкающей к p-n переходу, концентрация дырок устанавливается быстрее, чем глубине базы. Следовательно сопротивление базы в её глубине вначале велико, а по мере повышения концентрации дырок сопротивление базы понижается. Поэтому напряжение на p-n переходе устанавливается быстрее, чем на базе. Согласно рисункам p-n переход обладает ёмкостной реакцией, а область базы – индуктивной. Разница между U_б(t_вкл) и U_б(∞) будет тем больше, чем больше величина прямого тока. Поэтому форма напряжения на диоде U(t) = U_p-n(t) + U_б(t) будет зависеть от величины I_пр.и. При больших токах определяющими являются процессы в базе диода и реакция на перепад тока носит индуктивный характер (кр. 1). При малых токах, когда U_б(t)<<U_p-n(t) диод ведёт себя как ёмкость (кр. 3). При средних величинах прямого тока нарастание U_p-n(t) не может для любого момента времени компенсировать уменьшение

напряжения U_б(t), т.к. скорости изменения этих напряжений различны. В таком случае, процесс носит колебательный характер.

Процесс установления напряжения на диоде характеризуется двумя параметрами:

1. R_и.макс = U_{пр.и.макс} / I_пр.и –прямое импульсное сопротивление диода.

2. t_пр.уст –время установления прямого сопротивления диода – интервал времени от начала включения импульса прямого тока до момента достижения напряжением на диоде значения 1,1·U_пр.

При выключении источника прямого тока происходит процесс рассасывания накопленных в базе неравновесных носителей заряда как вследствие их рекомбинации, так и в результате их ухода во внешнюю цепь, если она имеется. В момент выключения тока наблюдается скачок напряжения на диоде U_б(t_выкл), вызванный изменением падения напряжения в базе диода. В течение всего времени пока на границе перехода имеется неравновесная концентрация заряда, его можно рассматривать как заряженную ёмкость или генератор послеинжекционной э.д.с. Если R_н = ∞, то спад послеинжекционной э.д.с. происходит в результате только рекомбинации. В противном случае ещё и за счёт протекания тока через R_н, причем вначале, пока избыточная концентрация велика, скорость спада определяется высокой скоростью рекомбинации, а не сопротивлением R_н. Форма напряжения на диоде при протекании через него прямого импульса тока приведена на рисунке.

4.5.2. Переключение диода с прямого напряжения на обратное.

Резистор R1 и источник E1 определяют величину прямого тока через диод, а R1 и E2 величину обратного тока.

Резистор R2 служит датчиком тока, т.е. его сопротивление выбирается настолько малым, что падением напряжения на нём можно пренебречь по сравнению с любыми другими падениями напряжения в схеме. В момент переключения ток через диод меняет направление на противоположное, дырки на границе перехода начинают втягиваться полем перехода в p-область и обратный ток, за счёт избыточной концентрации дырок в базе диода, может скачком достичь большого значения. Так как инжекции больше нет, этот избыточный заряд в базе будет убывать как вследствие протекания обратного тока, так и в результате рекомбинации. В течении промежутка времени t₁, пока напряжение на переходе, обусловленное неравновесным градиентом концентрации, остаётся положительным, величина обратного тока остаётся неизменной и определяется сопротивлением R₁: I₂ = E_обр / R₁. Эта фаза переключения (t₁) называется фазой высокой обратной проводимости и длится она пока

граничная, избыточная концентрация не достигнет равновесной. Для плоскостных импульсных диодов если и если .

Вторая фаза (промежуток времени t₂) обусловлена рекомбинацией избыточного заряда в глубине базы, концентрация которого стремится к равновесной. В течении этой фазы обратный ток монотонно спадает до величины нормального обратного тока диода I₀.

У плоскостных диодов . Параметрами, характеризующими импульсные диоды, являются все параметры высокочастотных диодов, приведённые выше параметры- R_и.макс и t_пр.уст, а также параметр t_восс = t₁ + t₂.

4.5.3. Диод с накоплением заряда.

Это разновидность импульсных диодов, специально спроектированных для формирования коротких импульсов. Неравномерным распределением примесей в базе диода создаётся ускоряющее, либотормозящее поле, способствующее перераспределению инжектированного заряда в области базы.

Ускоряющее поле как бы оттягивает дырки от границы перехода, снижая граничную концентрацию, а тормозящее поле поджимает дырки к переходу, повышая их граничную концентрацию. Так как длительность первой фазы формирования обратного тока определяется временем спада граничной концентрации до равновесной, можно создавать диоды с заданной длительностью фазы высокой обратной проводимости.

4.6. Туннельный диод

Увеличением концентрации примесей в обоих полупроводниках можно добиться туннельного эффекта даже при равновесном состоянии p-n перехода. Уровень Ферми в этом случае лежит внутри разрешённых зон на расстоянии ≈3φ_T от их границ. Напротив валентной зоны p-области располагаются уровни зоны проводимости n-области. Такое слияние зон происходит при некоторой критической концентрации примесей. Например для германия эта величина составляет 2·10²⁵ м^-3, а для кремния 6·10²⁵ м^-3, т.к. ширина запрещённой зоны у него больше.

При нулевом смещении перехода При небольших смещениях, как в прямом так и в обратном направлении через переход протекает туннельный ток электронов, величина которого зависит от приложенного напряжения. Обратный туннельный ток при этом может достигать весьма больших значений.

При увеличении прямого смещения прямой ток растёт за счёт увеличения прямого напряжения, затем рост тока замедляется из-за уменьшения области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости смежных полупроводников. В точке максимума ВАХ увеличение прямого тока за счет увеличения прямого напряжения компенсируется его уменьшением вследствие сужения области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости. Отметим, что наряду с туннельным током, при прямом смещении, через переход протекает и диффузионный ток, однако его доля в прямом токе диода при небольших смещениях ещё невелика. Дальнейшее увеличение прямого смещения приводит к уменьшению

прямого тока т.к. сужение области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости начинает влиять на величину тока в более значительной степени, нежели увеличение прямого напряжения.

Туннельный ток, при дальнейшем увеличении прямого напряжения, стремится к нулю, а диффузионный ток начинает расти. Этим обусловлен минимум тока на ВАХ, которая по мере дальнейшего увеличения прямого напряжения переходит в ВАХ обычного диода. Приборы, имеющие ВАХ подобную ВАХ туннельного диода называют приборами с N-образной ВАХ.

4.6.1. Параметры туннельных диодов

Вид ВАХ туннельного диода предопределяет его специфические параметры:

1. I_п – пиковый ток, соответствующий максимуму тока ВАХ.

2. I_в – ток впадины, соответствующий минимуму тока ВАХ.

3. U_п – напряжение пика.

4. U_в – напряжение впадины.

5. U_рас – напряжение раствора (прямое напряжение, соответствующее току диффузионной ветви равному пиковому туннельному току).

6. I_п / I_в – отношение пикового тока к току впадины.

7. R_д.отр – отрицательное дифференциальное сопротивление диода.

Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет использовать туннельные диоды в быстродействующих переключателях, а также для усиления и генерирования колебаний СВЧ. Благодаря тому, что туннельный ток не связан с относительно медленными процессами диффузии и дрейфа носителей заряда, туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах, вплоть до нескольких сотен ГГц. Частотные свойства диода ограничены условием сохранения отрицательного дифференциального сопротивления.

На эквивалентной схеме L_выв - индуктивность выводов диода, R_б - сопротивление базы (включает активное сопротивление выводов и контактов), R_д – отрицательное дифференциальное сопротивление, С_p-n – ёмкость перехода (при заданном напряжении). Полное сопротивление диода можно представить в виде . На некоторой частоте, называемой критической частотой туннельного диода, активная часть этого выражения может обратиться в нуль, т.е. . Исследование этого выражения на максимум даёт при Таким образом частотные свойства туннельного диода полностью определяются постоянной времени . Для снижения сопротивления базы в качестве основного материала используется арсенид галлия.

Вариантом туннельного диода является обращённый диод. Подобная характеристика получается, если подобрать концентрации примесей так, чтобы при отсутствии смещения границы зон совпадали. В этом случае уровень Ферми находится у краёв зон и туннельный ток возможен в основном при обратном смещении. Обращённым такой диод называется из-за того, что обратная ветвь его ВАХ похожа на прямую ветвь ВАХ обычного диода, а прямая на обратную.

Благодаря малому падению напряжения (0,15 – 0,35)В на обратной – туннельной ветви ВАХ, даже при значительном обратном токе, а также высокому быстродействию, обращённые диоды нашли широкое применение в основном в схемах ограничителей напряжения ВЧ и СВЧ.

Дата добавления: 2014-01-04