Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального

Образования РФ

Южно-Российский Государственный Университет Экономики и Сервиса

Кафедра "Радиотехника"

Курсовая работа

Тема: Полупроводниковые диоды, принцип действия и классификация

По дисциплине: Микроэлектроника

Выполнил: студенты гр. М-321-2

Шахты, 2000

Содержание

1. Принцип действия ПП диодов

2. Прямое включение диода

3. Обратное включение диода

4. Физический смысл параметров диода

4.1 Низкочастотные параметры

4.2 Высокочастотные значения

5. Переходные процессы в диодах с p-n переходом

6. Частотные свойства диодов

7. Принцип классификации ПП диодов

8. Классификация ПП диодов

8.1 выпрямительные диоды

8.2 импульсные диоды;

8.3 стабилитроны;

8.4 диоды Шоттки.

Библиографический список

1. Принцип действия ПП диодов

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода.

В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых диодах может быть электронно-дырочный переход, гетеропереход или выпрямляющий переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником ( переход Шотки ).

В диоде с p-n переходом или с гетеропереходом кроме выпрямляющего перехода должно быть два омических перехода, через которые p- и n-области диода соединены выводами (рис. 1,а). В диоде с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта между металлом и полупроводником всего один омический переход (рис. 1,б ).

Рис.1.1 Структура полупроводниковых диодов: а) с выпрямляющим электрическим переходом в виде p-n перехода; б) с выпрямляющим электрическим переходом на контакте между металлом и полупроводником; В - выпрямляющие электрические переходы; Н - невыпрямляющие (омические) переходы.

Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные p-n переходы. Поэтому при полярности внешнего напряжения, при которой происходит понижение потенциального барьера в p-n переходе, то есть при прямом направлении для p-n перехода, количество носителей заряда, инжектированных из сильнолегированной в слаболегированной область, значительно больше, чем количество носителей, проходящих в противоположном направлении. Область полупроводникового диода, в которую происходит инжекция неосновных для этой области носителей заряда, называют базой диода. Следовательно, в диоде базовой областью является слаболегированная область.

Если к диоду с несимметричным p-n переходом приложено напряжение, при котором происходит повышение потенциального барьера в p-n переходе, то есть в обратном направлении для p-n перехода, то экстракция неосновных носителей заряда будет происходить в основном из базы диода. Таким образом, база диода может оказывать существенное влияние на характеристики и параметры диода.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего электрического перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая по значению из двух величин, определяющая свойства и характеристики диода: диффузионная длина неосновных носителей заряда в базе или толщина базы.

Плоскостным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно больше характеристической длины.

Точечным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно меньше характеристической длины.

В выпрямляющем электрическом переходе и прилегающих к нему областях происходят разнообразные физические процессы, которые могут приводить к эффекту выпрямления, к нелинейному росту тока с увеличением напряжения, к лавинному размножению носителей заряда при ударной ионизации атомов полупроводника, к туннелированию носителей сквозь потенциальный барьер выпрямляющего p-n перехода как при обратном, так в определенных условиях и при прямом напряжении, к изменению барьерной емкости с изменением напряжения, к эффекту накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в прилегающих к выпрямляющему переходу областях. Все эти эффекты используют для создания различных видов полупроводниковых диодов: выпрямительных, смесительных, переключательных и детекторных, диодов с резким восстановлением обратного сопротивления, стабилитронов, стабисторов, шумовых, лавинно - пролетных, туннельных и обращенных диодов, варикапов. Некоторые из перечисленных эффектов являются нежелательными и даже вредными в одних диодах, но в других диодах эти же эффекты могут служить основой принципа действия.

2. Прямое включение диода

При прямом напряжении на диоде внешнее напряжение частично компенсирует контактную разность потенциалов на p-n переходе, так как внешнее электрическое поле при прямом включении диода направлено противоположно диффузионному полю. Поэтому высота потенциального барьера перехода уменьшается пропорционально приложенному к диоду напряжению. Пренебрегая падением напряжения на базе диода, рассмотрим диод при малых прямых токах.

С уменьшением высоты потенциального барьера увеличивается количество носителей заряда, которые могут преодолеть потенциальный барьер и перейти в соседнюю область диода, где они окажутся неосновными носителями. Этот процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда через p-n переход.

Так как высота потенциального барьера уменьшается пропорционально приложенному напряжению, а носители заряда распределены по энергиям по экспоненциальному закону в соответствии со статистикой Ферми-Дирака или Максвелла-Больцмана, то прямая ветвь ВАХ должна быть похожа на экспоненту (рис.2.1).

Iпр

Uобр

Iобр

Рис.2.1 ВАХ диода при инжекции и экстракции носителей заряда.

Рассмотрим влияние некоторых факторов на прямую ветвь вольт -амперной характеристики диода.

При увеличении температуры диода уменьшается высота потенциального барьера и изменяется распределение носителей заряда по энергиям (электроны, например, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости). Из-за этих двух причин прямой ток через диод увеличивается с ростом температуры при прямом неизмененном напряжении (рис. 3.1).

Если сравнить прямые ветви двух диодов, изготовленных из разных материалов, с разной шириной запрещенной зоны, то у диода из материала с большей шириной запрещенной зоны будет больше высота потенциального барьера. Следовательно, прямой ток через диод из материала с большей шириной запрещенной зоны будет меньше при том же прямом напряжении.

С увеличением концентрации примесей в прилегающих к p-n - переходу областях будет увеличиваться высота потенциального барьера перехода, а значит, будет меньше прямой ток при том же прямом напряжении.

3. Обратное включение диода

При обратном включении диода внешнее электрическое поле и диффузионное поле p-n переходе совпадает по направлению, происходит экстракция неосновных носителей заряда из прилегающих к переходу областей. Это приводит к уменьшению граничной концентрации неосновных носителей заряда около p-n перехода и к проявлению диффузии неосновных носителей перехода - идет диффузионный ток неосновных носителей, возникающих в результате тепловой генерации в объеме n - и p - областей диода, а также на омических переходах.

Iпр Iпр Iпр

Uпр Uпр Uпр

0 0 0

Рис.3.1 Рис.3.2 Рис.3.3

Рис.3.1Прямые ветви ВАХ при разных температурах;Рис.3.2 При

Разной ширине ЗЗ;Рис.3.3. При разных концентрациях примесях.

За время жизни до p-n - перехода могут продифундировать неосновные носители, возникшие в n-p-областях на расстоянии, не превышающим соответствующей диффузионной длины . Остальные неосновные носители, не успев дойти до перехода, рекомбинируют в объеме. Это справедливо для разных обратных напряжений на диоде, если толщины прилегающих к переходу областей превышают диффузионные длины неосновных носителей заряда. Поэтому обратный ток начиная с очень малых значений обратного перехода не будет изменяться с изменением напряжения (см. рис. 2.1). Этот неизмененный с изменением напряжения обратный ток через диод называют током насыщения.

При увеличении температуры диода плотность тока насыщения увеличивается, так как с температурой экспоненциально растет собственная концентрация носителей заряда .

В диодах на основе материала с большей шириной запрещенной зоны плотность тока насыщения должна быть значительно меньше, так как собственная концентрация экспоненциально уменьшается с увеличением ширины запрещенной зоны. Сравнивания германиевые и кремниевые диоды и учитывая разницу в собственных концентрациях носителей в германии и кремнии, которая составляет три порядка, следует заключить, что плотность тока насыщения в кремниевых диодах должна быть меньше на шесть порядков.

С увеличением концентрации примесей в прилегающих к переходу областях плотность тока насыщения в соответствии (3) должна уменьшиться.

4. ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ПАРАМЕТРОВ ДИОДА

4.1 Низкочастотные параметры

Сопротивление диода представляет собой простое дифференциальное сопротивление диода, то есть сопротивление диода малому переменному току при постоянном смещении.

Диффузионную емкость обычно связывают с изменением заряда инжектированных носителей при изменении напряжения на диоде. Действительно, инжектированные носители в течение некоторого времени существуют в областях диода, примыкающих к p-n - переходу. При изменении напряжения часть накопленных неосновных носителей может возвратиться в p-n - переход и пройти через него в соседнюю область. Образующийся при этом ток аналогичен емкостному току.

Однако к этому требуются некоторые пояснения и дополнения. Дело в том, что при инжекции области, примыкающие к p-n - переходу, остаются нейтральными, то есть никакой суммарный заряд в них не появляется. Нейтрализация заряда происходит из-за подхода основных носителей в те области, куда произошла инжекция неосновных носителей. Нейтрализация устанавливается за очень малый промежуток времени - порядка времени максвеловской или диэлектрической релаксации (обычно 10-11…10-12 с). Так как концентрация основных носителей относительно велика и необходимое их количество пополняется невыпрямляющим контактом, нейтрализация получается практически полная. Следует заметить, что нейтрализуется не только заряд в среднем по всей области, но и заряд в каждой точке, т.е. выполняется условие локальной электрической нейтральности.

Несмотря на то, что при инжекции примыкающие к p-n - переходу области не заряжаются, диффузионную емкость можно связать с зарядом инжектированных носителей, так как инжектированные неосновные носители и нейтрализующие их основные носители не исчезают. Для сравнения вспомнить, что и обычный конденсатор в целом электрически нейтрален. Но в обычном конденсаторе положительные и отрицательные заряда пространственно разделены (то же самое можно сказать и о p-n - переходе при рассмотрении его барьерной емкости), в то время как при инжекции через p-n - переход и положительный, и отрицательный заряда оказываются в одной и ой же области и пространственно не разделяются, в результате чего не возможно обнаружить область, где проходят токи смещения.

Следовательно, диффузионную емкость можно связать с изменением заряда инжектированных неосновных носителей, но нельзя связать с происхождением тока смещения. В этом существенное физическое отличие диффузионной емкости от барьерной емкости p-n - перехода и от емкости обычного конденсата.

Диффузионную емкость можно представить следующим образом:

диод импульсный высокочастотный включение

Постоянная времени. Если продолжить аналогию полупроводникового диода с конденсатором, то можно выяснит физический смысл постоянной времени rCдиф. Для конденсатора постоянная времени показывает, за какое время его заряд уменьшается в e раз, т.е. постоянная времени характеризует время исчезновения заряда конденсатора.

Постоянная времени диода с толстой базой при низкой частоте тоже характеризует время исчезновения заряда. Действительно, - время жизни неосновных носителей - как раз и показывает, в течение какого времени концентрация неосновных носителей измениться в е раз из-за рекомбинации.

Для диода с тонкой базой при низкой частоте в соответствии с постоянная времени



4.2 Высокочастотные значения

Для высокочастотных значений сопротивления и диффузионной емкости диода характерна их частотная зависимость. Это сильно ограничивает использование таких параметров диода, так как затрудняет расчет частотных характеристик схем с использованием полупроводниковых диодов.

Такая частотная зависимость появилась из-за того, что система с распределенными параметрами (диод на высокой частоте) была представлена моделью диода с сосредоточенными параметрами, которая является неудачной для высоких частот. Отсюда следует, что нельзя искать физический смысл высокочастотных параметров полупроводникового диода. Их надо рассматривать как формальные.

5. Переходные процессы в диодах с р-п переходом

При резком изменении тока через р-п переход напряжение на нем устанавливается в течение определенного времени. Такой переходный процесс обусловлен информационностью явлений, протекающих в р-п переходе при переключении. Различают переходные процессы включения, переключения диода из прямого направления в обратное и выключение диода. Инерционность протекающих процессов связана с накоплением и рассасыванием неосновных носителей заряда в базе диода, а также перезарядом барьерной емкости р-п перехода.

Рассмотрим переходный процесс включения р-п перехода в простейшей схеме, представленной на рис. 2.1 При подаче на вход схемы импульса напряжения положительной полярности,ток через диод изменяется. Если U<0,то ток диода в течение переходного процесса практически не изменяется. В этом случае внешняя цепь - по отношению к диоду является источником тока. До момента времени равному 0 ,ток через р-п переход отсутствовал, и концентрация дырок в базе имела равновесное значение . С момента времени равному 0 происходит инжекция дырок в базу. Ток дырок рекомбинирующих в базе, пропорционален избыточному заряду дырок - и обратно пропорционален времени жизни дырок. На начальной стадии процесса, пока заряд дырок мал, ток рекомбинации много меньше тока инжекции дырок и скорость накопления дырок в базе велика. По мере увеличения заряда дырок в базе растет количество дырок, декомбинирующих с электронами, и скорость накопления дырок уменьшается. На конечной стадии переходного процесса устанавливается динамическое равновесие между током дырок, инжектированных в базу, и током дырок, рекомбинирующих в базе с электронами.

На емкостный характер сопротивления р-п перехода указывает то, что напряжение - в течение переходного процесса включения возрастает от 0 до установившегося значения .

При переходном процессе переключения диода из прямого направления в обратное с момента времени - (рис. 3.1) начинается процесс рассасывания накопленного заряда дырок в базе. Уменьшение концентрации дырок в базе происходит из-за их рекомбинации с электронами и за счет ухода дырок в р-область перехода. Весь переходный процесс выключения диода делится на два этапа: этап рассасывания, в течение которого ---, ток диода ограничен внешней цепью и остается постоянным, и этап восстановления обратного сопротивления практически до нуля.

Длительность переходных процессов накопления, рассасывания и восстановления обратного сопротивления диода с р-п переходом пропорционально времени жизни неосновных носителей заряда - в базе диода. Поэтому при изготовлении быстродействующих диодов снижают время жизни неосновных нос ителей заряда в базе, вводя в нее подушки рекомбинация путем легирования ПП - ка примесями с глубокими уровнями либо облучая приборы потоком высокоэнергетичных электронов и пр. При изготовлении быстродействующих диодов для легирования обычно используется золото . При высоком уровне инжекции время жизни носителей заряда в кремнии связано с концентрацией атомов золота - соотношением

Предельная концентрация электрически активных центров золота составляет в кремнии 1017 см-3. Поэтому -0,5 нс. При большой концентрации золота растут сопротивления базы и обратный ток. Все быстродействующие диоды характеризуются повышенными обратными токами. При концентрации золота, сравнимой с концентрацией легирующей донорной примеси в базе , удельное сопротивление базы резко возрастает, что ухудшает параметры диодов.

Диоды с сильнолегированной базой имеют малое напряжение пробоя. Например, в кремниевом диоде с - напряжение пробоя будет менее 15 В.

Для повышения быстродействия диодов необходимо кроме снижения времени жизни уменьшать барьерную емкость - (уменьшая площадь р-п перехода) и снижать сопротивление базы, имеющую р-п-п структуру. В любом случае требование по повышению быстродействия, рабочих напряжений и токов являются противоречивыми.

6. Частотные свойства диодов с р-п переходом

Наиболее часто диоды с р-п переходом используют для выпрямления, детектирования, модуляции напряжения синусоидальной или почти синусоидальной формы.

Рассмотрим поведение р-п перехода при воздействии на него синусоидального тока или напряжения различной частоты. период колебаний. Переходные процессы в р-п переходе протекают в течение времени порядка времени жизни дырок - в п-базе диода. На низкой частоте, для каждого момента времени изменение синусоидального напряжения переходные процессы, связанные с рекомбинацией, успевают установиться. Такой режим называется квазистационарным. Форма тока -оказывается несинусоидальной, ток диода протекает практически только в первом полупериоде.

При рассмотрении переходных процессов в р-п переходе было показано, что процессы накопления неосновных носителей заряда -дырок - в п-базе + п -переходе - носят емкостный характер. На малой переменном анклаве эту инерционность можно описать количественно путем введения диффузионной емкости р-п перехода, равной отношению изменения дырок, накопленных в квазинейтральной п-базе, к изменению напряжения, приложенного к ОПЗ р-п перехода:

Существенной особенностью диффузионной емкости является то, что заряды дырок и электронов, накапливаемые в п-базе в условиях квазиэлектронейтральности, пространственно не разделены, а присутствуют совместно в течение времени жизни дырок.

7. Принцип классификации ПП диодов

ПП диоды широко применяются в устройствах радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники, силовой (теоретической) преобразовательной техники. Несмотря на большое разнообразие и широкую номенклатуру выпускаемых в настоящее время диодов, их можно классифицировать по ряду признаков, важнейшими и которых являются физические эффекты и явления, определяющие механизм работы приборов, конструктивно-технологические особенности, совокупность параметров и области применения. Классификация современных ПП диодов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному ПП-му материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов. В основу системы условных обозначений и маркировки диодов положен буквенно-цифровой код, отражающий информацию об исходном ПП-м материале, подклассе (или группе) приборов, назначении (параметр или принцип действия), порядковом номере разработки. Условное обозначение включает еще ряд буквенно-цифровых элементов.

8. Классификация ПП диодов

По типу исходного полупроводникового материала диода делятся на кремниевые, германиевые и диоды из арсенида галлия . Реже применяются другие полупроводниковые материалы: селен, карбид кремния. Большинство современных полупроводниковых диодов изготавливаются на основе кремния.

В зависимости от конструктивно-технологических особенностей различают плоскостные, точечные и микросплавные диоды. Точечные и микросплавные диоды предназначены для работы на СВЧ и имеют ограниченный выпуск. Диоды изготавливают из диффузионной и сплавной технологии с применением операций эпитаксии и имплантации примесей. Сплавная технология в настоящее время имеет ограниченное применение.

Класс диодов содержит следующие подклассы: выпрямительные диоды, импульсные диоды, сверхвысокочастотные диоды, стабилитроны, стабисторы, варикапы и параметрические диоды, диоды Шоттки, туннельные и обращенные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, светоизлучающие диоды и полупроводниковые лазерные, фотодиоды, магнитодиоды, тензодиоды и др.

Особое место в силовой (энергетической) полупроводниковой электронике занимают силовые диоды (с предельным средним или предельным действующим током 10А и более), или, по другой отечественной классификации, мощные диоды (с рассеиваемой мощностью 1 Вт и более). Силовые полупроводниковые диоды имеют несколько отличающуюся систему классификации и систему обозначений. По нагрузочной способности в области пробоя силовые диоды подразделяются на выпрямительные, лавинные выпрямительные, лавинные выпрямительные с контролируемым пробоем.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Для этих диодов работа в области пробоя недопустима. В соответствии с действующими стандартами (техническими условиями) к этим диодам даже кратковременно не разрешается прикладывать обратные напряжения, приводящие к лавинному пробою p-n переходов.

Лавинные выпрямительные диоды могут в течение ограниченного интервала времени рассеивать импульс приложенной энергии в области пробоя при работе на обратной ВАХ, т.е., работать в качестве ограничителя напряжения.

Лавинные выпрямительные диоды с контролируемым пробоем предназначены для работы в установившемся режиме в области пробоя, т.е. могут работать в качестве стабилизаторов, а в отдельных случаях - в качестве ограничителей напряжения.

Система параметров диодов включает большое число параметров. Параметры диодов подразделяются на предельные параметры, определяющие предельно допустимые значения - максимально и (или) минимально допустимые значения - и характеризующие (рабочие) параметры.

Допустимое значение параметра - это значение, при котором ожидается удовлетворительная работа прибора, а предельно допустимое значение параметра - это значение, за пределами которого прибор может быть поврежден или выведен из строя.

Характеризующее значение параметра - это значение электрической, тепловой, механической или другой величины, которое характеризует определённое свойство прибора. Разница между характеризующими и предельно допустимыми значениями параметров заключается в том, что последние нельзя измерять, их можно только проверять. Они устанавливаются на основе опытов, испытаний (часто разрушающих) или расчетов. Характеризующие значения параметров можно непосредственно или косвенно измерить.

8.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Частотный диапазон их работы невелик. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница частот - так называемая предельная частота выпрямительных диодов - как правило. Не превышает 500 Гц - 20 кГц.

Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобрmax - напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без опасности нарушения его работоспособности (обычно Uобрmax = 0,5 - 0,8Uпроб, где Uпроб - напряжение пробоя); максимально допустимый постоянный прямой ток Iпрmax; постоянное прямое напряжениеUпр при заданном прямом токе Iпр = I прmax; максимально допустимый постоянный обратный ток Iобрmax - обратный ток утечки диода при приложении к нему напряжения Uобрmax; частота без снижения режимов - верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.

По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы: диоды малой мощности ( 0,3А), диоды средней мощности (0,3А 10А) и мощные (силовые) диоды (10А).

Иногда в паспорте диода указывают средний выпрямленный ток Iпр.ср, средний обратный ток Iобр.ср, а также импульсный прямой ток Iпр.и или его максимально допустимое значение.

В состав параметров диодов входят диапазон температуры окружающей среды (для кремниевых диодов обычно от -60 до +125 оС) и максимальная температуры корпуса.

Подавляющее большинство кремниевых диодов имеет р+-п-п+

Структуры, т.е. изготавливаются на основе высокоомного кремния п-типа электропроводности. Это связано с тем, что поверхность слаболегированного п-кремния не подвержено каналообразованию в отличие от слаболегированного р-кремния. Каналообразования на высокоомном р-кремнии связано с наличием положительного заряда на границе раздела кремний-диоксид кремния и приводит к резкому увеличению токов поверхностной утечки выше допустимой нормы.

В настоящее время в отечественной промышленности производятся выпрямительные диоды на предельные токи до 1600 А, повторяющееся импульсное обратное напряжение от 100 до 4000 В (для отдельных типов диодов), лавинные выпрямительные диоды на предельные токи от 10 до 320 А и повторяющиеся импульсные напряжения от 400 до 1500 В, быстродействующие диоды на предельные токи от 80 до 630 А и повторяющееся импульсное обратное напряжение от 500 до 1400 В. Тенденция одновременного увеличения предельного тока, напряжения, повышения быстродействия и снижения прямого напряжения препятствуют физические ограничения. Например, при повышении быстродействия диодов необходимо снижать время жизни неосновных носителей заряда в базе диода путем введения примесей с глубокими уровнями, при этом, как было показано выше растет прямое падение напряжения и уменьшается предельно допустимое обратное напряжение диода.

8.2 Импульсные диоды

Импульсный диод - это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов схем, работающих с сигналами длительностью вплоть до наносекундного диапазона.

Основным параметром, характеризующим свойства импульсного диода, является время восстановления обратного сопротивления диода tвос, представляющее собой интервал времени от момента подачи импульса обратного напряжения до момента, когда обратный ток диода уменьшается до заданного значения. Для быстродействующих импульсных диодов tвос,=0,1 - 10 мкс, а для сверхбыстродействующих tвос,<0,1 мкс. Время установления прямого сопротивления диода tуст - это интервал времени от начала импульса прямого тока до момента, когда напряжения на диоде упадет до 1,2 установившегося значения. Параметры импульсов сигналов, при которых производят измерения tвос и tуст, указываются в технических условиях и справочных данных на импульсный диод.

Помимо времени установления и времени восстановления специфическими параметрами импульсных диодов являются максимальное импульсное сопротивление rимп, определяемое отношением максимальной амплитуды импульса прямого напряжения на диоде к току через него, и максимальный ток восстановления - наибольший обратный ток через диод после переключения напряжения на нем с прямого направления на обратное.

Импульсные диоды, как правило, имеют малую емкость Сд, измеряемую как емкость между выводами диода при заданном обратном напряжении. Для импульсных диодов указываются также следующие параметры; постоянное прямое напряжение Uпр (при протекании постоянного тока 1пр) и обратный ток 1обр (при заданном обратном напряжении). Предельные режимы работы импульсных диодов характеризуются максимальным значением обратного напряжения Uобрmax любой формы и периодичности и максимальным значением прямого импульса тока Iпр.импmax

В настоящее время используются точечные и плоскостные конструкции импульсных диодов, технология их изготовления аналогична технологии изготовления обычных выпрямительных диодов.

Наименьшее время переключения имеют диоды с выпрямляющим переходом металл - полупроводник, в которых практически отсутствует эффект накопления неосновных носителей заряда.

Подобно другим маломощным выпрямительным диодам импульсные диоды герметизируются в стеклянные, металлостеклянные, металлокерамические и пластмассовые корпусы.

8.3 Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном включении слабо зависит от тока в заданном диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.



Рис. 4. ВАХ кремниевого стабилитрона (а) и рабочая область ВАХ стабилитрона (б).

Стабилитроны работают в режиме электрического пробоя. Под действием сильного поля в области р-п перехода обратный ток резко возрастает при малых изменениях приложенного напряжения. Эту особенность ВАХ кремниевого диода в области пробоя (рис. 1.32, а) используют для стабилизации напряжения, а также фиксации уровней напряжений и токов в схемах, отсюда другое название кремниевых стабилитронов - опорные диоды.

Напряжение пробоя, являющееся напряжением стабилизации, может изменяться в широких пределах - от 3,5 до 400 В и выше в зависимости от удельного сопротивления кремния. На рис 4, б приведена рабочая часть ВАХ стабилитрона.

Основные параметры стабилитронов; напряжение стабилизации Uст, динамическое сопротивление rдин= Uст/Iст, статическое сопротивление rстат=Uст/Iст, температурный коэффициент напряжения стабилизации aт=Uст/(UстТ) пр постоянном токе стабилизации.

Так как реальная ВАХ в области пробоя имеет некоторый наклон, то напряжение стабилизации зависит от тока стабилизации Iст. Максимальный ток стабилизации Iст мах ограничен допустимой мощностью рассеяния Рмах и возможностью перехода электрического пробоя в тепловой, который является необратимым. Минимальный ток стабилизации Iстmin соответствует началу устойчивого электрического пробоя. При меньших токах в диоде возникают значительные шумы, происхождение которых связано с механизмом лавинного пробоя (шумы в предпробойной области используются в специальных приборах - полупроводниковых генераторах шума). Динамическое сопротивление rдин характеризует качество стабилизации и определяется углом наклона ВАХ в области пробоя (оно возрастает с ростом напряжения стабилизации). Важным параметром стабилитрона является аст. Зависимость аст. от напряжения стабилизации Uст приведена на рис. 4. Как видно из рисунка, для высоковольтных стабилитронов аст>0, а для низковольтных аст<0. Это объясняется зависимостью механизма пробоя от степени легирования полупроводника. Изменение знака ТКН происходит при концентрациях примеси в кремнии около 5 1017см-3. При Uст=5-7 В коэффициент аст минимальный.

Один из способов уменьшения ст заключается в последовательном соединении переходов с ранними по значению, но противоположными по знаку температурными коэффициентами стабилизации. Если переход стабилитрона имеет абсолютное значение аст, равное 6 мВ/К, то при сборке последовательно с ним подсоединяют три р-п перехода, которые будут работать в прямом направлении, так как для прямого направления температурный коэффициент напряжения диода ТКН= -2 мВ/К. Такие термокомпенсированные стабилитроны с аст 5 10-4 К-1 и менее применяются в источниках эталонного напряжения вместо нормальных элементов.

Конструкция стабилитронов аналогична конструкции выпрямительных диодов, выбор типа корпуса связан с мощностью рассеяния. Современные стабилитроны (лавинные диоды с контролируемым лавинообразованием) имеют напряжения стабилизации, доходящие до нескольких сотен вольт, токи - до десятков ампер.

Разновидностью кремниевых стабилитронов являются стабисторы. В этих диодах для стабилизации низких напряжений (до 1 В) используется прямая ветвь ВАХ р-п перехода. Для изготовления стабисторов используется сильнолегированный кремний, что позволяет получать меньшие значения сопротивления базы диода. Температурный коэффициент стабилизации стабисторов отрицательный и примерно равен - 2 мВ/К.

8.4 Диоды Шоттки

Диод Шоттки - это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на взаимодействии металла и обедненного слоя полупроводника.

Для создания диодов Шоттки (ДШ) и пользуется переход металл-полупроводник. Работа этих диодов основана на переносе основных носителей заряда и характеризуется высоким быстродействием. Так как в них отсутствует характерное для р-п переходов накопление неосновных носителей заряда, ДШ используют в качестве элементов интегральных микросхем, а также в качестве дискретных приборов. Маломощные ДШ изготавливаются на основе кремния и арсенида галлия п-типа и предназначаются для преобразования сигнала СВЧ-диапазона (выпрямление, смешение частот, модуляция) и для импульсных устройств. Силовые (мощные) ДШ для силовой полупроводниковой электроники изготавливаются на основе кремния п-типа, имеют рабочие токи до нескольких сот ампер, исключительно высокое быстродействие (по сравнению с диодами на основе р-п переходов), но низкие рабочие напряжения, не превышающие нескольких десятков вольт.

Низкие рабочие напряжения ДШ прежде всего связаны с наличием "краевых" эффектов при лавинном пробое перехода, которые имеют меси о на периферии металлического контакта. Дело вы том, что с увеличением обратного напряжения увеличивается напряженность электрического поля в ОПЗ ДШ. При критических полях 300 кВ/см в кремнии начинается ударная ионизация электронно--дырочных пар и их лавинное размножение, приводящее к сильному возрастанию обратного тока перехода. В простейшей конструкции ДШ силовые линии электрического поля, замыкающиеся на положительных зарядах ионов доноров, вблизи края металла резко сгущаются, что определяет резкое нарастание краевого поля. Этот эффект наиболее выражен при слабом легировании полупроводника и приводит к краевому лавинному пробою при очень низких напряжениях (несколько вольт). Для ослабления краевого поля и повышения напряжения пробоя было предложено множество конструкций ДШ, наиболее удачной и употребительной из которых является структура с охранным р-п переходом Таким образом, при глубине залегания р-п перехода в несколько микрометров удается повысить напряжение пробоя ДШ до нескольких десятков вольт. Дальнейшее повышение напряжения требует создания широкого и глубокого охранного р-п перехода. Однако при больших прямых токах р-п переход сам начинает "работать", инжектируя неосновные носители заряда (дырки) и п-область диода. Это приводит к накоплению большого избыточного заряда дырок, что совместно с дополнительной емкостью охранного р-п перехода ухудшает быстродействие ДШ.

Основная причина инерционности ДШ связана с перераспраделением заряда вблизи границы ОПЗ при изменении внешнего напряжения , т.е с изменением толщины барьера . Такое поведение диода подобно поведению конденсатора. Заряд конденсатора связан нелинейной функциональной зависимостью с напряжением , т.е. имеет нелинейную кулоновольтную характеристику. Количественно такая нелинейная емкость, называемая барьерной, определяется дифференциальным соотношением;

При получении конечного выражения этой емкости мы воспользовались . Емкость С сильно возрастает при прямых смещениях (U> 0) и уменьшается при обратных (U<0). При больших прямых смещениях нарушаются допущения, принятые при выводе этой формулы (предположение о полном обеднении ОПЗ), и эта формула непригодна. Полная емкость ДШ должна учитывать и емкость конструкции корпуса диода, которая может быть существенной для маломощных СВЧ-диодов. Как правило, в силу сложной геометрии емкость корпуса не рассчитывают, а измеряют на макете прибора (без подключения полупроводникового кристалла). В конструкциях с охранным р-п переходом вклад барьера емкости р-п перехода может быть соизмерим с емкостью барьера Шоттки.

При больших прямых смещениях кроме напряжения на барьере = 1п(1/1 +1) необходимо учитывать вклад падения напряжения на нейтральной п-области диода, равного , где сопротивление растекания тока (сопротивление базы) можно оценить по формуле

Rб=сw/S

где =с - удельное сопротивление п-области:w - толщина активной области кристалла (базы).

Диоды Шоттки изготовляют групповым способом на пластинах больших диаметров. Для обеспечения механической прочности пластины (во избежание поломки) толщина пластины должна быть более 150-200 мкм. Однако для ДШ с рабочим напряжением до 50 В толщина активной области кристалла не должна превышать 10 мкм. Выходом является конструкция, активный слой которой =2-10 мкм, а сильнолегированная подложка с концентрацией доноров =5 1018-5 1019 см-3 имеет значительную толщину - олоко 200 мкм. Наличие такой подложки значительно снижает сопротивление и облегчает создание омического контакта с металлом катода.

В качестве примера приведем ориентировочные параметры силового ДШ на базе п-кремния; =3 1015 см-3; =5мкм: =5 1018см-3: =200 мкм: =0,1 см2; металл анода-хром.

Обратные токи ДШ на 3-4 порядка больше обратных токов диодов с р-п переходом, а прямые напряжения для ДШ значительно ниже.

В настоящее время силовые ДШ наиболее эффективны как низковольтные быстродействующие диоды на большие токи.

Библиографический список

1.Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для ВУЗов. Н-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1987.-479с.: ил.

2.Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем.- Н-е изд., перераб. и доп.-М.: Энергия, 1977.-672с.:ил.

3. Тугов Н.М. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов./Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А.Чарыков.-М.: Энергоатомиздат, 1990.-576с.:ил.

Размещено на Allbest.ru