Емкости р-п перехода. При включении р-п перехода в обратном направлении, а также при небольших прямых напряжениях в области р-п перехода существует двойной электрический слой: в р области - отрицательный, в п области - положительный.

Накопление в этом слое некомпенсированного заряда приводит к возникновению емкости р-п перехода, которая называется барьерной емкостью. Она характеризует изменение накопленного заряда при изменении внешнего напряжения по рис.1.12. С б =dQ/ dU .

Рис. 1.12. Зависимость барьерной емкости

от обратного напряжения.

Барьерная емкость зависит от геометри­ческих размеров р-п перехода. С увеличением U обр ширина р-п перехода возрастает, а емкость уменьшается.

При включении диода в прямом направлении барьерная ёмкость практически исчезает, а в базовом слое диода происходит накопление перешедших из эмиттера неосновных носителей. Это накопление заряда создает также эффект емкости, которую называют диффузионной. С д обычно превышает С б .

Диффузионная емкость определяется С д =dQ д /dU .

Эти емкости сказываются при работе диодов на высоких частотах. Емкости р-п перехода включают в схему замещения (рис.1.13).

Рис. 1.13. Схемы замещения диода с учетом емкостей:

а – барьерная ёмкость; б – диффузионная ёмкость

Переходные процессы в диодах. При работе диодов с сигналами высоких частот (1-10 МГц) процесс перехода из непроводящего состояния в проводящее и наоборот происходит не мгновенно за счет наличия емкости в переходе, за счет накопления зарядов в базе диода.

На рис.1.14 приведены временные диаграммы изменения токов через диод и нагрузку при прямоугольных импульсах питающего напряжения. Ёмкости в цепи диода искажают передний и задний фронты импульсов, вызывают появление времени рас­сасывания t p .

При выборе диода для конкретной схе­мы надо учитывать его частотные свойства и быстродействие.

Рис. 1.14. Переходные процессы при

переключении диода:

t ф1 - длительность переднего фронта перехода;

t ф2 - длительность заднего фронта;

t p - время рассасывания.

Пробой р-п перехода. Обратное напря­жение диода не может возрастать до сколь угодной величины. При некотором обрат­ном напряжении, характерном для каждого типа диода, происходит резкое возрастание обратного тока. Этот эффект называют пробоем перехода. Различают несколько видов пробоя (рис.1.15):

1- лавинный пробой, когда увеличение обратного тока происходит за счет лавинного размножения не ос­нов­­­ных носителей;

Рис. 1.15. ВАХ при различных видах пробоя

2- туннельный пробой, когда прео-доление потенциального барьера и запирающего слоя происходит за счет туннельного эффекта.

При лавинном и туннельном пробоях растет обратный ток при неизменном обратном напряжении.

Это электрические пробои. Они являются обратимыми. После снятия U обр диод восстанавливает свои свойства.

3- тепловой пробой, он происходит в том случае, когда количество тепла, выделившегося в р-п переходе, больше количества тепла, отдаваемого поверхностью диода в окружающую среду. При этом с увеличением температуры р-п перехода растет концентрация неосновных носителей, что приводит к еще большему росту обратного тока, который, в свою очередь, ведет к увеличению температуры и т.д. Так как для диодов, изготовленных на основе германия, I обр больше, чем для диодов на основе кремния, то для первых вероятность теплового пробоя выше, чем для вторых. Поэтому максимальная рабочая температура для кремниевых диодов выше (150 о …200 о С), чем для германиевых (75 о …90 о С).

При этом пробое р-п переход разрушается.

Контрольные вопросы.

1. Что такое полупроводниковый диод? Вольтамперная характеристика идеального и реального диода?

2. Какие материалы используются для изготовления полупроводниковых диодов? Как создавать в полупроводниковой подложке области того или иного типа проводимости?

3. Что такое собственное электрическое поле в кристалле на границе p-n- перехода? Как оно видоизменяется при подаче внешнего напряжения?

4. Чем объясняется эффект односторонней проводимости p-n- перехода в полупроводнике?

5. Вольтамперные характеристики p-n -переходов для германиевых и кремниевых диодов при изменении внешней температуры?

6. Как определяется дифференциальное сопротивление диода?

7. Как строятся вольтамперные характеристики диода с нагрузочной прямой?

8. Объясните механизм формирования барьерной и диффузионной ёмкостей диода? Как они сказываются при работе диода в цепях переменного тока?

Лекция 2.Специальные типы

В настоящее время для изготовления переходов в арсениде галлия используют три основные группы методов: диффузию, эпитаксию из газовой фазы и эпитаксию из жидкой фазы. Применявшийся ранее в полупроводниковой технике метод вплавления теперь не используется в технологии ПКГ, поскольку он не дает резного и плоского электронно-дырочного перехода и потому непригоден для изготовления лазерных диодов. Поэтому сейчас основными методами изготовления диодов ПКГ являются методы диффузии и эпитаксии.

8.3.1. Метод диффузии

Теория диффузии основана на предположении, что атомы примеси не взаимодействуют друг с другом в процессе диффузии, и скорость диффузии не зависит от их концентрации. На основании этого предположения выведены фундаментальные уравнения диффузии - законы Фика. Первый закон Фика определяет диффузионный поток как величину, пропорциональную градиенту концентрации (в изотермических условиях при одномерной диффузии)

где - концентрация диффундирующих атомов; х - координата расстояния; коэффициент диффузии.

Второй закон Фика определяет скорость диффузии

Исходя из этих законов, можно найти распределение концентрации примеси в полуограниченном образце. Для случая, когда исходная концентрация в объеме кристалла близка к нулю, а поверхностная концентрация составляет и остается постоянной, концентрация примеси через время х на глубине х равна

Если же диффузия происходит из тонкого слоя толщиной с концентрацией примеси на единицу

поверхности то распределение примеси выражается уравнением

Определение концентрационных профилей распределения примеси в образце производят либо методом радиоактивных индикаторов, либо зондовым методом измерения «растекания сопротивления» по косому срезу образца.

Зависимость коэффициента диффузии от температуры имеет вид

Однако эта зависимость не всегда выдерживается в бинарных полупроводниках ввиду отклонений от закона Фика, поскольку примесь взаимодействует с одним из компонентов соединения или с вакансиями, образующимися вследствие испарения летучего компонента при диссоциации соединения. Иногда в результате взаимодействия примеси с компонентами соединения образуются новые соединения, более устойчивые, чем исходный бинарный полупроводник. В соединениях типа диффузия происходит посредством движения атомов по узлам подрешетки элементов III и V групп. Энергия активации диффузии при этом зависит от типа подрешетки, по узлам которой происходит диффузия. Однако этот механизм не единственный; возможна, например, диффузия примеси по междоузлиям. Диффузия различных примесей в бинарные полупроводники рассмотрена в обзорах . Данные по диффузии примесей в арсенид галлия приведены в табл. 8.3.

Изготовление переходов методом диффузии можно производить посредством диффузии как доноров в арсенид галлия -типа, так и акцепторов в материал -типа. Поскольку диффузия доноров происходит очень медленно, то обычно производят диффузию акцепторов. Самыми распространенными легирующими примесями, используемыми для изготовления инжекционных являются акцептор - цинк и донор - теллур. Промышленность выпускает монокристаллы арсенида галлия, предназначенные для производства ПКГ, легированные теллуром до концентраций Эти

(кликните для просмотра скана)

концентрации, как было показано выше, и являются оптимальными. Электронно-дырочный переход в пластинах, вырезанных из этих монокристаллов, производят диффузией цинка, которая позволяет при не слишком высоких температурах достаточно быстро изготавливать переход на любой желаемой глубине.

Поступающие на диффузию пластины арсенида галлия должны быть специально подготовлены. Прежде всего, рентгеновским способом выявляют у кристалла плоскость с индексом (100). Затем кристалл разрезают на пластины параллельно этой кристаллографической плоскости. Выбор плоскости определяется следующими соображениями. Кристаллы соединений легко скалываются по плоскости (110). В кубической структуре сфалерита, характерной для этих соединений, имеется три плоскости (110), перпендикулярные плоскости (111), и две перпендикулярные (100). Если выбирается плоскость (111), то могут быть изготовлены треугольные диоды ПКГ.

Диоды с типичными резонаторами Фабри-Перо легко изготавливаются из пластин, вырезаных параллельно плоскости (100) простым двукратным сколом вдоль (110). Эти плоскости резонатора должны быть строго перпендикулярны будущему переходу, поскольку толщина активного слоя диода составляет всего лишь 1-2 мкм. Следовательно, ничтожные отклонения плоскости резонатора могут привести к выходу излучения из активной области. Для того чтобы выполнить это требование, одну сторону пластины сошлифовывают порошком с размером зерен 5 мкм перпендикулярно сколотым плоскостям еще до проведения диффузии. Шлифованную поверхность пластины полируют вручную на стекле полировочным порошком (с размером зерен сначала 1 мкм, а затем 0,3 мкм). Иногда еще применяют химическое полирование.

Процесс диффузии цинка в полированную пластину арсенида галлия проводят либо в закрытом объеме (в запаянной ампуле), либо в проточной системе. Чаще, однако, используют закрытую систему. Для этого ампулу предварительно откачивают до остаточного давления около мм рт. ст. В качестве источника цинка берут либо элементарный цинк, либо его соединения Последнее соединение представляет собой смесьтвердых фаз соотношение

которых выбирают в зависимости от температурных условий диффузии. Если в качестве источника примеси применяют элементарный цинк, то в ампулу помещают и элементарный мышьяк в соотношении или Как будет показано ниже, давление мышьяка в ампуле имеет большое значение в этом процессе.

Существуют три варианта диффузионных процессов, применяемых в технологии для образования переходов.

1. Одноэтапная диффузия цинка в атмосфере мышьяка в пластину (100) или (111) проводится при температуре в течение Цинк и мышьяк загружают в ампулу в соотношении общая концентрация их в газовой фазе должна составлять По окончании процесса ампулу резко охлаждают водой. Продолжительность процесса выбирают в зависимости от желаемой глубины залегания перехода.

В результате трехчасовой диффузии в этих условиях переход образуется на глубине около 20 мкм.

2. Диффузия цинка с последующим отжигом в атмосфере мышьяка. Процесс диффузии аналогичен описанному выше, но по окончании процесса диффузии пластину помещают в другую ампулу, куда также помещают мышьяк в количестве Ампулу с загрузкой откачивают до мм рт. ст. и выдерживают в печи при температуре 900 °С в течение Отжиг способствует расширению компенсированной области, выравниванию активного слоя перехода, созданию плавного, нерезкого перехода. Оптимальными условиями являются следующие: I этап (диффузия) - температура концентрация цинка соотношение продолжительность I этапа II этап (отжиг) - температура 900 или - концентрация мышьяка продолжительность II этапа Глубина диффузии в этих условиях составляет около 8 мкм.

3. Трехэтапная диффузия. К описанному выше двухэтапному процессу диффузии добавляют третий этап - неглубокую диффузию цинка с образованием слоя

По окончании процесса диффузии и охлаждения ампулы пластину арсенида галлия вынимают и скалывают ее край для выявления перехода, определения глубины его залегания и визуального наблюдения его характеристик: ровности, ширины и др. Для того чтобы

сделать переход отчетливо видимым, скол подвергают травлению в растворе или Каплю раствора наносят на сколотую поверхность и выдерживают в течение 15 - 30 с, после чего пластину споласкивают дистиллированной водой. На травленой поверхности могут быть замечены две линии: нижняя линия определяет границу перехода, а верхняя - место, где начинается вырождение материала -типа.

Механизм диффузии цинка в арсенид галлия. Распределение концентрации цинка в арсениде галлия в результате диффузии носит аномальный характер. Для диффузии цинка при температурах ниже может быть описано гауссовой функцией ошибок, т. е. уравнениями (8.4) и (8.5); при этом величины коэффициентов диффузии могут быть вычислены с учетом параметров, приведенных в табл. 8.3. Для температур диффузии выше 800 °С распределение цинка в арсениде галлия не подчиняется этой классической закономерности. Типичные примеры аномального распределения цинка показаны на рис.

8.13 для диффузии при температуре в течение

Аномальные явления, при диффузии цинка в арсенид галлия являются предметом многочисленных исследований. Замечены следующие факты.

Рис. 8.13. Профили распределения концентрации цинка в пластине арсеиида галлия для различных поверхностных концентраций при температуре диффузии и продолжительности около

При температурах диффузии выше коэффициент диффузии цинка сильно зависит от концентрации мышьяка, а растворимость цинка в арсениде галлия повышается даже на три порядка (с 1017 до Наличие дефектов, несовершенств структуры, дислокаций ускоряет диффузию и ухудшает плоскостность перехода. Особого внимания заслуживают исследования диффузии в изоконцентрационных условиях, т. е. при отсутствии градиента концентрации цинка на образце.

Атомы цинка могут находиться в арсениде галлия либо на местах галлия либо в междоузлиях Следовательно, диффузия цинка может происходить по галлиевым вакансиям и по междоузлиям. Закон Фика для такого двойного механизма диффузии может быть выражен уравнением

где и - коэффициенты диффузии цинка по междоузлиям и по механизму замещения галлия.

Это уравнение можно упростить, введя эффективный коэффициент диффузии:

Результаты изоконцентрационной диффузии показывают, что при высоких концентрациях цинка преобладает диффузия по междоузлиям, т. е.

Следовательно, и изоконцентрационная диффузия может быть описана уравнением (8.4). Коэффициент изоконцентрационной диффузии может быть вычислен на основе анализа концентрации атомов междоузельного цинка и вакансий галлия. Сильная зависимость его от концентрации цинка показана на рис. 8.14.

Рис. 8.14, Зависимость коэффициента диффузии цинка в арсениде галлия от концентрации цинка.

Однако в реальных технологических условиях при высоких температурах поверхностная концентрация цинка на арсениде галлия достигала незначительно превышала плотность паров цинка в ампуле. При отсутствии давления мышьяка в ампуле распределение цинка в образце невоспроизводимо искажалось, и

Переход получался неровным, особенно при низких концентрациях цинка. Введение в ампулу мышьяка существенно исправляло положение. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации цинка значительно уменьшалась, диффузия протекала более закономерно, переход получался ровным.

Следует обратить внимание на тот факт, что аномальные явления в диффузии цинка возникают при температурах выше температуры начала разложения арсенида галлия Поэтому в ампуле должно быть создано давление мышьяка, по крайней мере равное давлению диссоциации арсенида галлия при данной температуре. Кроме того, поскольку цинк образует с мышьяком два конгруэнтно плавящихся соединения: то можно ожидать образования их как на источнике цинка, так и на поверхности арсенида галлия. Эти процессы, как и диссоциация арсенида галлия, могут привести к выделению жидкого галлия и образованию галлиевых растворов цинка и арсенида галлия, вследствие чего возникают локальные поверхностные нарушения, в дальнейшем искажающие диффузионный профиль и переход. Чтобы устранить эти поверхностные нарушения и приблизить диффузию к изоконцентрационному режиму, иногда проводят диффузию цинка через пленку нанесенную на арсенид галлия, или же из пленки легированной цинком.

Условия достижения воспроизводимой диффузии цинка в арсенид галлия могут быть определены н? основании рассмотрения фазовых диаграмм равновесия галлий-мышьяк-цинк (рис. 8.15).

Если в качестве диффузанта используется только элементарный цинк, то будет происходить перенос мышьяка из арсенида галлия на источник цинка до образования равновесных фаз арсенидов цинка на обеих поверхностях. Естественно, это приведет к выделению жидкого галлия, нарушению поверхности пластины и искажению фронта диффузии.

Если источником являются цинк и мышьяк или арсениды цинка то все зависит от количества диффузанта, его состава и температуры. При малых количествах диффузанта (несколько ампулы) конденсированной фазы не образуется - весь цийк и мышьяк в паровой фазе. Поверхностных нарушений перехода от продолжительности диффузии и температуры выражается

Лекция 2. Полупроводниковые диоды

Электронно-дырочный переход и его свойства . Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая - дырочную электропроводность. Технологический процесс созадния электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом - не пропускает.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 2.1 а. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (N - область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (P - область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Электроны в N-области стремятся проникнуть в Р-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р-области перемещаются в N-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и Р-областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено на рис. 2.1 б.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Е собств, направление которого показано на рис. 2.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов N- и Р-областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

где  T =kT/q - тепловой потенциал, N n и Р р - концентрации электронов и дырок в N- и Р-областях, n i - концентрация носителей в нелегированном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6... 0,7В, а для кремния - 0,9... 1,2В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-ппереходу. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока (2.2) и тока проводимости:

Уравнение (2.3) называется уравнением Эберса - Молла, а соответствующая ему вольт-амперная характеристика p-n-перехода приведена на рис. 2.3. Поскольку при  т =ЗООК тепловой потенциал T=25мВ, то уже при U = 0,1 В можно считать, что

Дифференциальное сопротивление p-n-перехода можно определить, воспользовавшись формулой (2.3):

откуда получаем

Так, например, при токе I = 1А и  т = 25 мВ дифференциальное сопротивление перехода равно 25м0м.

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов  к. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей и называется лавинным пробоем. При лавинном пробое p-n-перехода ток через переход неграниченно возрастает при неизменном напряжении на нем, как показано на рис. 2.3.

Полупроводниковый p-n-переход имеет емкость, которая в общем случае определяется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения напряжения на нем, т. е. C=dq/du . Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьером и определяется по формуле

где  к - контактная разность потенциалов, U - обратное напряжение на переходе, C бар (0) - значение барьерной емкости при U=0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полупроводникового кристалла. Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения приведена на рис. 2.4.

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

При прямом смещении p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямого тока I и времени жизни неосновных носителей  р. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости можно получить по формуле

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

При обратном смещении перехода диффузионная емкость отсутствует и полная емкость состоит только из барьерной емкости.

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

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

При большом токе через p-n-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом выражения (2.4) вольтамперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид

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

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 2.5 а, а его структура на рис. 2.5 б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом (по анологии с электровакуумным диодом), а электрод, подключенный к области N, - катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 2.5 в.

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

Падение напряжения U np на диоде при некотором значении прямого тока;

Обратный ток I обр при некотором значении обратного напряжения;

Среднее значение прямого тока I np.cp ;

Импульсное обратное напряжение U обр.и.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

Время восстановления t вос обратного напряжения;

Время нарастания прямого тока I вар;

Предельная частота без снижения режимов диода f m ax .

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода, которая приведена на рис. 2.5 в. Типовые значения статических параметров силовых диодов приведены в табл. 2.1.

Т
аблица 2.1

Время обратного восстановления диода t вoc является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока I пр на заданное обратное напряжение U обр. Графики такого переключения приведены на рис. 2.6 а. Схема испытания, приведенная на рис. 2.6 б, представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку R н и питаемый от источника напряжения прямоугольный формы.

Напряжение на входе схемы в момент времени t=0 скачком приобретает положительное значение U m . Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени t нар. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после t нар становится равным U пр. В момент времени t 1 в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода i=I н  U m /R н.

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t 2 , когда полярность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе p-n-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противоположное. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывания t рас начинается процесс выключения диода, т.е. процесс восстановления его запирающих свойств.

К моменту времени t 3 напряжение на диоде становится равным нулю и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени t 4 , после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным нулю, а напряжение достигает значения -U m , - Таким образом, время t вос можно отсчитывать от перехода Uд через нуль до достижения током диода нулевого значения I д =0.

Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода показывает, что он не является идеальным вентилем и в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Время рассасывания неосновных носителей в p-n-переходе можно определить по формуле

где  p - время жизни неосновных носителей.

Время восстановления обратного напряжения на диоде можно оценить по приближенному выражению

Следует отметить, что при R н =0 (что соответствует работе диода на емкостную нагрузку) обратный ток через диод в момент его запирания может во много раз превышать ток нагрузки в стационарном режиме.

Из рассмотрения графиков рис. 2.6 а следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямленного напряжения. При работе диода на низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют и потери в диоде резко снижаются.

При изменении температуры корпуса диода изменяются его параметры. Эта зависимость должна учитываться при разработке аппаратуры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) на диоде имеет отрицательное значение, так как при увеличении температуры напряжение на диоде уменьшается. Приближенно можно считать, что ТКН U пр =-2мВ/К.

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10°С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых - 2,5 раза.

Потери в выпрямительных диодах можно рассчитывать по формуле

где Р пр - потери в диоде при прямом направлении тока, Р обр - потери в диоде при обратном токе, Р вос - потери в диоде на этапе обратного восстановления.

Приближенное значение потерь в прямом направлении можно рассчитать по формуле

где I пр.ср и U пр.ср - средние значения прямого тока и прямого напряжения на диоде. Аналогично можно рассчитать потери мощности при обратном токе:

И, наконец, потери на этапе обратного восстановления определяются по формуле

где f - частота переменного напряжения.

После расчета мощности потерь в диоде следует определить температуру корпуса диода по формуле

где Т п.макс = 150 0 С - максимально допустимая температура кристалла диода, R п.к. - тепловое сопротивление переход-корпус диода (приводится в справочных данных на диод), Т к.макс - максимально допустимая температура корпуса диода.

Диоды с барьером Шотки . Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

Более низкое прямое падение напряжения;

Имеют более низкое обратное напряжение;

Более высокий ток утечки;

Почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проектировании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150В. При этом напряжении прямое напряжение ДШ меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2...0,3В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4...0,6В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5... 1,0 В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3...0,4В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10...15%. Максимальная рабочая частота ДШ превышает 200кГц при токе до 30А.

Лекция 3. Специальные типы полупроводниковых диодов

Разновидности полупроводниковых диодов . К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства р-n-переходов: управляемая полупроводниковая емкость - варикапы и варакторы; зенеровский и лавинный прибой - стабилитроны; туннельный эффект - туннельные и обращенные диоды; фотоэффект - фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов - светодиоды; многослойные диоды - динисторы. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие, как тиристоры и двухбазовые диоды.

Варикапы - это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость p-n-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и с увеличением его уменьшается. Добротность барьерной емкости варикапа может быть достаточно высокой, так как она шунтируется достаточно высоким сопротивлением диода при обратном смещении.

Схематическое изображение варикапа приведено на рис. 3.1 а, а его вольтфарадная характеристика - на рис. 3.1 б. Условное обозначение варикапа содержит из пять элементов. Первый элемент обозначает материал, из которого изготовлен варикап (К - кремний). Второй элемент обозначает принадлежность диода к подклассу варикапов (В - варикап). Третий элемент - цифра, определяющая назначение варикапа (1 - для подстроечных варикапов, 2 - для умножительных варикапов). Четвертый элемент - это порядковый номер разработки. И наконец, пятый элемент - соответствует разбраковке по параметрам. Так, например, на рис. 3.1 б приведена характеристика варикапа КВ117А.

Теоретическое значение емкости варикапа можно определить по формуле

где С 0 - начальная емкость варикапа при U в =0, U в - напряжение на варикапе,  к - контакная разность потенциалов.

Основными параметрами варикапа являются: его начальная емкость С о, добротность Q c , коэффициент перекрытия по емкости К с. Добротность варикапа определяется отношением реактивной мощности варикапа Q к мощности Р:

*В дальнейшем все диоды (т. е. двухэлектродные приборы с п-р-переходом) обозначаются VD или D, как на рис. 3.1.

Коэффициент перекрытия по емкости определяется как отношение максимальной емкости С max варикапа к его минимальной емкости C min

Кроме этого, часто указывают температурный коэффициент емкости варикапа  с =С/Tи предельную частоту f пред, при которой добротность варикапа снижается до Q=1.

Добротность варикапа увеличивается с увеличением обратного напряжения и с уменьшением рабочей частоты. Графики зависимости добротности варикапа КВ117А от частоты и обратного напряжения приведены на рис. 3.2.

Эквивалентная схема варикапа приведена на рис. 3.3, где C б - барьерная емкость, R ш - сопротивление перехода и шунтирующих его утечек, обусловленных конструкцией варикапа, R п - сопротивление материала полупроводника, p-n-области и контакта. Полное сопротивление варикапа определяется выражением

Добротность варикапа в области низких частот в соответствии с (3.4) можно определить по формуле

из которой следует, что она растет с ростом частоты.

На высоких частотах при выполнении условия C б R ш >>1 сопротивлением R н можно пренебречь и тогда добротность варикапа зависит от частоты по формуле

т. е. она уменьшается с ростом частоты.

Отсюда следует, что добротность варикапа имеет максимум, который соответствует частоте

при этом максимальную добротность можно найти по формуле

На рис. 3.3 б приведены зависимости добротности Q от частоты для варикапов, изготовленных из кремния и арсенида галлия. Из графиков видно, что для варикапов из арсенида галлия оптимальная частота составляет ~ 1 кГц, в то время как для кремниевых варикапов она почти достигает 1 МГц.

Варикапы находят применение в различных электронных схемах: модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настройкой, параметрических усилителях и генераторах и др. На рис. 3.4 показана схема резонансного контура с электронной перестройкой при помощи постоянного напряжения U п. Напряжение перестройки подается в среднюю точку двух встречно последовательно включенных варикапов VD1 и VD2 через дополнительный резистор R д. Такое включение варикапов позволяет увеличить крутиз ну перестройки и устраняет необходимость применения разделительного конденсатора. Специально для таких схем промышленностью выпускаются сдвоенные варикапы типов КВС111 или КВС120.

Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n-перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис. 3.5 а показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис. 3.5 б приведены их вольт-амперные характеристики.

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис. 3.56 штриховой линией показано перемещение вольт-амперных характеристик при увеличении температуры. Очевидно, что повышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при U cт > 5B и уменьшает его при U cт < 5 В. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5 В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U cт < 5В - отрицательный. При U cт =6...5B ТКН близок к нулю.

Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжение на диоде. Такие приборы в отличие от стабилитронов называют стабисторами. В области прямого смещения p-n-перехода напряжение на нем имеет значение 0,7...2В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление. В отличие от стабилитронов при увеличении температуры напряжение на стабисторе уменьшается, так как прямое напряжение на диоде имеет отрицательный ТКН. Схема включения стабилитрона приведена на рис. 3.6 а, а стабистора - на рис. 3.6 б.

Приведенный выше характер температурной зависимости напряжения стабилитронов обусловлен различным видом пробоя в них. В широких переходах при напряженности поля в них до 5*10 4 B/см имеет место лавинный пробой. Такой пробой при напряжении на переходе > 6В имеет положительный температурный коэффициент.

В узких переходах при большой напряженности электрического поля (более 1,4*10 6 В) наблюдается пробой, который называется зенеровским . Такой пробой имеет место при низком напряжении на переходе (менее 5В) и характеризуется отрицательным температурным коэффициентом. При напряжении на переходе от 5 до 6В одновременно существуют оба вида пробоя, поэтому температурный коэффициент близок к нулю. График зависимости температурного коэффициента TKH ст от напряжения стабилизации U ст приведен на рис. 3.7.

Основными параметрами стабилитронов являются:

Напряжение стабилизации U ст;

Температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН ст;

Допустимый ток через стабилитрон I ст.доп

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r ст.

Кроме того, для импульсных стабилитронов нормируется время включения стабилитрона t вкл,а для двухсторонних стабилитронов нормируется несимметричность напряжений стабилизации U ст = U ст1 – U ст2 .

Дифференциальное сопротивление стабилитрона - это параметр, который характеризует наклон вольт-амперной характеристики в области пробоя. На рис. 3.8 а приведена линеаризованная характеристика стабилитрона, с помощью которой можно определить его дифференциальное сопротивление и построить схему замещения, приведенную на рис. 3.8 б.

И
спользуя приведенную на рис. 3.8 б схему замещения, можно рассчитать простейший стабилизатор напряжения, изображенный на рис. 3.9 а. Заменяя стабилитрон его схемой замещения, получим расчетную схему, изображенную на рис. 3.9 б. Для этой схемы можно написать систему уравнений

В результате решения системы уравнений (3.9) получим напряжение на выходе стабилизатора

Подставив значение I н, получим окончательно

Из выражения (3.11) следует, что выходное напряжение стабилизатора зависит от напряжения на входе стабилизатора U вх, сопротивлений нагрузки I н и ограничения тока R г, а также параметров стабилитрона U ст и r ст.

Условное обозначение стабилитрона включает: материал полупроводника (К - кремний); обозначение подкласса стабилитронов (букву С); цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС168А соответствует маломощному стабилитрону (ток менее 0,3 А) с напряжением стабилизации 6,8В, в металлическом корпусе.

Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для ограничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов от повышения напряжения на них.

Туннельные диоды . Туннельный эффект заключается в туннельном прохождении тока через p-n-переход. При этом ток начинает проходить через переход при напряжении, значительно меньшем контактной разности потенциалов. Достигается туннельный эффект созданием очень тонкого обедненного слоя, который в туннельном диоде достигает 0,01 мкм. При таком тонком обедненном слое в нем даже при напряжении 0,6...0,7 В напряженность поля достигает (5...7)*10 5 В/см. При этом через такой узкий p-n-переход протекает значительный ток.

Этот ток проходит в обоих направлениях, только в области прямого смещения ток вначале растет, а достигнув значения I max , при напряжении U 1 , затем довольно резко убывает до I min при напряжении U 2 . Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U 2 число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает.

При дальнейшем повышении напряжения выше U 2 прохождение прямого тока такое же, как у обычного диода, и определяется диффузией.

Ввиду очень малой толщины слоя p-n-перехода время перехода через него очень мало (до 10 13 – 10 14 с), поэтому туннельный диод - практически безынерционный прибор. В обычных же диодах электроны проходят через переход благодаря диффузии, т.е. очень медленно. Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 3.10 а, а его схематическое изображение - на рис. 3.10 б.

На вольт-амперной характеристике туннельного диода можно выделить три основных участка: начальный участок роста тока от точки 0 до I max , участок спада тока от I max до I min и участок дальнейшего роста тока от I min . Очевидно, что спадающий участок, на котором положительному приращению напряжения U > 0 соответствует отрицательное приращение тока I, имеет отрицательное сопротивление (или отрицательную проводимость -G).

Схема замещения туннельного диода в выбранной рабочей точке на участке отрицательного сопротивления для малого сигнала имеет вид, приведенный на рис. 3.10 в. На этой схеме С - общая емкость диода в точке минимума вольт амперной характеристики, -G - отрицательная проводимость на падающем участке, r н - последовательное сопротивление потерь, L - индуктивность выводов.

Схема генератора на туннельном диоде приведена на рис. 3.11 а. В этой схеме туннельный триод ТД включается последовательно с нагрузкой и источником постоянного напряжения Е. Для возникновения колебаний в этой схеме необходимо выполнить два условия. Первое условие состоит в том, чтобы напряжение источника Е обеспечивало нахождение рабочей точки ТД на участке отрицательного сопротивления (падающем участке). Второе условие заключается в том, чтобы отрицательное сопротивление ТД было больше положительного сопротивления нагрузки R H (т.е. 1/G > R H).

На рис. 3.11 б показано, как нужно выбирать напряжение источника питания Е при заданном сопротивлении нагрузки R H . На осях вольт-амперной характеристики ТД откладываются две точки. На оси напряжения откладывается напряжение источника питания Е, что соотвествует напряжению на диоде при закороченной нагрузке R H , а на оси тока откладывается ток E/R H , что соответствует закороченному ТД. Эти две точки соединяются прямой линией, которая называется нагрузочной. Пересечение линии нагрузки R H с вольт-амперной характеристикой ТД соответствует их одинаковому току (что необходимо при последовательном их соединении) и определяет положение рабочей точки.

Как видно из рис. 3.11 б, рабочая точка на падающем участке может быть обеспечена двумя способами проведения нагрузочной линии. Нагрузочная линия 1, проведенная через точки Е 1 и E 1 /R H2 пересекает вольт-амперную характеристику ТД в трех точках А, В и С. Очевидно, что при подключении питания к схеме первой будет рабочая точка А, в которой сопротивление ТД положительное и, следовательно, генерации не будет.

Нагрузочная линия 2, проведенная между точками Е 2 , и E 2 / R H3 , пересекает вольт-амперную характеристику ТД только в одной точке В. Такой выбор напряжения питания Е 2 и нагрузки R H3 обеспечивает возможность возникновения колебаний в схеме. Для определения допустимого сопротивления нагрузки найдем отрицательное сопротивление ТД. Для этого определим полное сопротивление ТД, пользуясь его схемой замещения (рис. 3.10 в).

*Физические основы микроэлектроники; Электроника; Флеров А.Н, 2015.

Лекция 6, тезисы

Полупроводниковые диоды

Типы диодов: диоды бывают:

- электровакуумные (кенотроны),

- газонаполненные (газотроны, игнитроны, стабилитроны),

- полупроводниковы е.

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с двумя вы­водами, содержащий один p-n переход.

Рис. 6.1 Полупроводниковый диод (схема) и условное графическое обозначение (УГО) диода

Наибольшее применение получили кремниевые (Si -99% всего парка диодов) силовые, импульсные и пр., арсенид галлиевые (GaAs) - СВЧ диоды, перспективные - карбид кремниевые (SiC), нитрид галлиевые (GaN), InGaN, AlGaN - СВЧ диоды, светодиоды (InP, PbS), реже применяются германиевые (Ge) полупро­водниковые диоды.

Односторонняя проводимость p-n перехода наглядно иллюстрируется его вольтамперной характеристикой (ВАХ), показывающей зависимость тока через p-n -переход от величины и поляр­ности приложенного напряжения

Рис. 6.2 п/п диоды, конструкции (масштаб не выдержан)

Классификация диодов

По физике работы - туннельный, лавинно-пролетный, с барьером Шоттки, с накоплением заряда, светодиод и проч.

От способа получения p - n переходов полупроводниковые диоды делятся (по виду перехода) на два типа: точечные и плоскостные.

- от технологии изготовления p-n перехода диоды делятся на точечные, микросплавные, сплавные, диффузионные, эпитаксиальные.

Точечныйдиод э то диод с очень малой площадью электрического перехода.

Вточечном диоде с пластинкой кремния или германия (например,n-типа) соприкасается заостренная металлическая проволочка, образующая выпрямляющий переход в месте контакта (рис. 6.1).

Для создания стабильного выпрямляющего контакта при изготовлении точечного диода с пластинкой соприкасается заостренная металлическая игла имеющую на конце примесь индия или алюминия .

В результате термодиффузии (подача сильных импульсов тока) в кристалле п/п образуется слой р- типа.

Рис. 6.1 Вариант конструкции

точечного диода

Микросплавной диод занимают промежуточное положение между плоскостными и точечными. Микро­сплавные диоды, имеющие также малую площадь перехода.

При изготовлении микросплавного диода p-n переход формируется, например, путем микровплавления в кристалл (например Ge) тонкой золотой проволочки с присадкой

галлия на конце.

Диоды с микро­сплавными переходами выгодно отличаются от точечных лучшей ста­бильностью параметров, но емкость перехода у них больше и предель­ные частоты ниже, чем у точечных диодов.

Сплавной диод

При изготовлении сплавных диодов происходит вплавление приме­си в кремний или в другой п/п.

Электронно-дырочные переходы сплавных диодов-резкие .

Рис. 6.2 Сплавной диод, строение и конструкция

Сплавной диод малой мощности - диод со средним значением выпрямленного тока не более 0,3 а. В середину пластинки кремния (Si) проводимостью n-типа (рис. 6.2.1) вплавлен цилиндрический столбик из алюминия (Аl). Атомы алюминия диффундирует (проникает) в пластинку, вследствие чего проводимость части объема пластинки вблизи столбика становится дырочной (р-типа). Между нею и остальным объемом пластинки образуется р-n переход с хорошей проводимостью от алюминия к кремнию.

Конструкции сплавного диода – на рис. 6.2.3.

Аналогичную конструкцию имеет германиевый выпрямительный сплавной диод малой мощности, только в германиевую пластинку вплавлен индий.

Сплавной диод средней мощности - диод со средним значением выпрямленного тока от 0,3 до 10 а. Между пластинками кремния n-типа и p-типа прокладывают алюминиевую фольгу и нагревают. Алюминий сплавляется с кремнием и внутри получившейся монолитной пластинки образуется р-n переход (рис. 6.2.2).

Такая конструкция показана на (рис.6.2.4)

Диффузионнй диод

Конструкции сплавных и диффузионных диодов аналогичны.

При изготовлении диффузионных диодов p-n переход создается при высо­кой температуре диффузией примеси в кремний или германий из среды, содер­жащей пары примесного материала .

Рис. 6.3 Диффузионный диод

Диффузионный плоскостной р-n переход изготавливается на основе кремния n -типа или германия р-типа .

Диффузантами в первом случае является бор (В), а во втором - сурьма (Sb). Диффузия осуществляется при нагреве в во­дородной печи.

Пластина Si на­гревается до температуры, близкой к температуре плавления, а таблетка бора до испарения. В этих условиях атомы бора (B) напыляются на поверхность пластины и диффундируют вглубь ее. Вследствие этого на поверхности кристалла Si об­разуется слой Si p-типа. Последующим травлением этот слой удаляется со всех граней пластинки, кроме одной.

Между диффузионным слоем кремния p-типа и пластинкой Si n-типа образуется плавный р-n переход (рис.6.3), в котором эмиттером является высоколегированный диффузионный слой.

Метод диффузии позволяет достаточно точно контролировать процесс из­готовления перехода, вследствие чего обеспечивается однородность параметров из­готовляемых переходов.

Конструктивно плоскостные диффузионные диоды оформляются в металлические корпуса с выводами. Для улучшения теплоотвода кристалл припаивается непосредственно к корпусу, который служит одним из выводов.

Эпитаксиальные диоды

Эпитаксиальные (планарные, эпитаксиально - планарные диффузионные диоды) изготавливаются методом эпитаксии и локальной диффузии.

Эпитаксией называется процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, выполняющую роль несущей конструкции структуры с сохранением ориентации кристаллов подложки.

Эпитаксия по­зволяет выращивать слои любого типа проводимости, требуемого удельного со­противления и любой толщины (до нескольких микрометров).

Локальной диффузией называется создание p-n перехода путем диффузии примесных атомов в эпитаксиальный слой через окно в маске (например, из оксида кремния)

Рис. 6.4 Эпитаксиально -планарный диод, p-n переход -1

Последовательность изготовления : базу изготовляют путем наращивания на подложке (4) с повышен­ной проводимостью эпитаксиального n-слоя (3) с пониженной про­водимостью, окисление (2) - создание оксидного слоя Si0 2 , формирование "окна" в оксидном слое двуокиси кремния Si0 2 путем травления пленки окисла, затем производят диффузию донорной примеси (бора или алюминия) в эпитаксиальный слой через окно, создается р-n переход (1).

Производится металлизация площадок на n+ и p+ для выводов.

Производится формирование выводов и монтаж в кор­пус.

Пла­нарные диффузионные диоды характеризуются высокой надежностью, стабильностью параметров и большим сроком службы.

Плоскостные диоды имеют большие площади перехода, вследствие чего им присущи большие емкости и большие рабочие токи (до сотен и даже тысячи ампер). Используются в низкочастотных мощных электронных устройствах (силовых).

Выпрямительные диоды

Предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное напряжение (ток) в схемах электронных стабилизаторов.

Полупроводниковые выпрямительные диоды по эксплуатационной надежности и сроку службы значительно превосходят все остальные типы вентилей (ламповые). Поэтому они наиболее широко используются в источниках питания.

ВАХ диодов - основная характеристика полупроводниковых диодов.

Пример

Эквивалентная схема выпрямительного диода

Рис. 6.5 Эквивалентная электрическая схема диода

r pn =  T /I (6.1)

 T температурный потенциал;

r б – единицы- десятки [Ом];

С д – единицы- десятки [пФ]

Прямое паде­ние напряжения выпрямительных кремниевых диодов не превышает

(1-2)В и больше, чем у германиевых.

Т.о., в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.

Но кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при оди­наковом напряжении, чем германиевые поэтому они получили преимущественное распространение.

Допустимое обратное напряжение германиевых диодов лежит в пределах:

U o 6 pGe = 100- 400В, кремниевых диодов: U o 6 psi = 1 000 - 1500B.

Пример : выпрямитель на диоде

Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойст­ве

p-n перехода пропускать ток только в одном направлении. Простейшая (однополупериодная) схема выпрямителя на полупроводниковом диоде рис.6.6:

Рис. 6.6 Схема однополупериодного выпрямителя

Трансформатор служит для преобразования величины напряжения, т.е. для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя.

В этой схеме ток через диод и нагрузку R H протекает только в положительные полупе­риоды входного напряжения U ex , и кривая напряжения на нагрузке будет состоять из положительных полуволн синусоиды (если емкость С отключена)

Емкость С сглаживает однополярные пульсации напряжения на нагрузке Rн.

Для того, чтобы избежать потери полупериода напряжения используется двухполупериодная схема выпрямителей - схемы со средней точкой и мостовая .

Рис.6.8 Включение диодов в мостовой схеме (а) и эпюры входного выходного напряжения однополупериодной и двухполупериодной схем (б).

Параметры выпрямительного диода (основные)

1. Максимально допустимый прямой ток диода In р. max

2. Прямое падение напряжения Unp - значение прямого напряжения на диоде при заданном

значении прямого тока;

3. Максимально допустимое обратное напряжение U обр. max

4. Максимальная рабочая частота, fmax

5. Максимальная допустимая рассеиваемая мощность Рдоп. max

Стабилитрон

Стабилитрон - полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

Рис. 6.8 Условное графическое обозначение

В качестве материала для полупроводниковых стабилитронов ис­пользуется, как правило, кремний, обладающий высокой температурной стабильностью.

Рис. 6.9 ВАХ стабилитрона

В прямом включении ВАХ стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода.

Обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей поч­ти параллельно оси токов.

Нормальным режимом работы стабилитрона являет­ся работа при обратном напряжении на участке электрического пробоя р- n перехода.

По сравнению с обычными диодами стабилитрон имеет достаточно низкое напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.

Полупроводниковый материал стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих примесей (узкий переход) . Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие нарушения теплового баланса).

В основе работы стабилитрона лежат два механизма:

- лавинный пробой (пробой Аваланчи, avalanche breakdown) обычно развивается в достаточно широких p - n -переходах. Напряжение стабилизации > 5-6В.

- туннельный пробой (пробой Зенера, Zener, в англоязычной литературе, диод Зенера),

развивается в тонких р- n переходах при большой напряженности электрического поля. Напряжение стабилизации < 5В.

Они присутствуют в любом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них.

При изменении в широких пределах тока через прибор паде­ние напряжения на нем практически не изменяется. Это свойство кремниевых стабилитронов и позволяет использовать их в качестве стабилизатора напряжения.

Для того, чтобы предотвратить тепловой пробой в конструкции стабилитрона пре­дусмотрен отвод тепла от р-n перехода.

Пример: Схема включения стабилитрона (параметрический стабилизатор)

Простейшая схема стабилизации постоянного напряжения – рис. 6.10

Выходное напряжение стабилизатора должно оставаться постоянным при изменении выходного напряжения или изменения сопротивления нагрузки.

Рис. 6.10Параметрический стабилизатор

Выходное напряжение стабилизатора не может быть абсолютно стабильным. Приращения U cm малы, и зависят от приращений входного напряжения  U вх .

U вх = U cm + I R 0 R 0 , (6.2)

где r q - токоограничивающий резистор.

I R 0 = (U вх - U cm)/ R 0 , (6.3)

При увеличении входного напряжения U вх + U вх

I’ R 0 = (U вх + U вх - U cm)/ R 0 (6.4)

При этом I’ R 0 > I R 0 и I’ cm > I cm ток через стабилитрон увеличивается.

Параметром, определяющим качество стабилизатора является коэффициент стабилизации .

Коэффициент стабилизации определяется следующим образом:

(при этом 1 Н считается постоянным)

(6.5)

Основные параметры стабилитронов

2. Минимальный ток стабилизации 1 ст (~3 мА) - значение тока протекающего через

стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.

3. Максимальный ток стабилизации 1 ст MAX (~20 мА – 1А) - значение тока

протекающего через стабилитрон, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не

превышает допустимого значения.

4. Максимальная мощность рассеяния P pa с c = U cm I cm - наибольшая мощность, выделяемая

на p-n переходе, при которой не возникает теплового пробоя перехода.

5. Дифференциальное сопротивление r cm =  U cm /  I cm отношение приращения напряжения

на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации. Характеризует степень

стабильности напряжения стабилизации при из­менении тока пробоя.

На участке стабилизации r cm ~ const; r cm = 0,5 - 200 Ом.

6. Температурный коэффициент напряжения (TKU) стабилизации

(6.6)

где t 1 °C - исходная температура.

TKU = 0,1 ...0,01%/°С

Для самостоятельного изучения

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Обозначение диодов

X X X X X X (например, КД243А)

1-ый элемент (буква или цифра) обозначает исходный материал:

Г (1) - германий;

К (2) - кремний;

А (3) - соединения галлия;

И (4) – соединения индия.

Если стоит не буква, а цифра, то это означает, что прибор может работать при повышенных температурах (германиевый прибор при 70 С; кремниевый при 120°С).

2-ой элемент (буква) указывает на тип полупроводникового диода:

Д - выпрямительные, универсальные, импульсные;

А - сверхвысокочастотные;

С - стабилитроны и стабисторы;

И - туннельные и обращенные;

В – варикапы;

Ц - выпрямительные столбы;

Л – излучательные;

Ф – фотоприемники.

3-ий элемент (цифра) - число, определяющее назначение и качественные свой­ства диодов.

1 - Выпрямительные диоды малой мощности (1пр ср < 0,ЗА);

2 - Выпрямительные диоды средней мощности (0,3А< 1пр ср < 10А);

4. Импульсные диоды с временем восстановления меньше 500нс.

У стабилитронов 3 -ий элемент обозначения определяет индекс мощности.

Пример:

Р тах < 0,3Вт: 1 U cma б < 10в

2 10B < U cma 6 < 99B;

3 100В < U стаб < 199В.

0.3 B т < P max < 5Вт: 4 U cma б <10В;

4-ый и 5-ый элементы (цифры) - порядковый номер разработки (от 0 до 99).

У стабилитронов - это обозначение напряжения стабилизации.

Пример : КС1 56 А -5,6В

6-ой элемент (буквенный) определяет разновидность прибора по технологиче­ским признакам, а у стабилитронов и стабисторов - указывает на последователь­ность разработки.

Пример : ГД412А - диод полупроводниковый, германиевый, универсальный, германиевый, номер раз­работки 12, группа А.

**************************************************************

Д9, Д102 – “старинные” названия

Если на поверхность полупроводника нанести защитный слой с отверстиями и через эти отверстия проводить диффузию примеси, то получают планарный р-n-переход.

Собственная емкость диффузионных диодов меньше, чем сплавленных, и составляет С д 1…2 пф.

Маркировка ППД предусматривает шесть символов. Первый символ – буква (для диодов общего назначения) или цифра (для специальных диодов – работающих при повышенных температурах) - указывает материал полупроводника: Г (1) – германий, К (2) – кремний, А (3) – GaAs. Второй символ – буква, означающая подкласс диода: Д – выпрямительные, высокочастотные (универсальные) и импульсивные диоды; В – варикапы; С – стабилитроны и стабисторы; Л – светодиоды. Третий символ – цифра, указывающая назначение диода (у стабилитронов – мощность рассеяния): три – переключательный, четыре – универсальный. Четвертый и пятый символы – двузначное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов – номинальное напряжение стабилизации). Шестой символ – буква, обозначающая параметрическую группу прибора (у стабилитронов – последовательность разработки).

Примеры маркировки диодов:

ГД 412А – (Г) – германиевый, (Д) – диод, (4) – универсальный, (12) – номер разработки, (А) – группа;

КС 196 В - (К) – кремниевый, (С) – стабилитрон, (1) – мощность расстояния не более 0,3 Вт, (96) – номинальное напряжение стабилизации 9,6 В, (В) – третья разработка. Обозначения диодов на электрических схемах показаны на рис. 1.6

.

1. 6. Выпрямительные диоды

Работа выпрямительного диода основана на свойстве p-n–перехода пропускать ток в одном направлении – прямом.

Прямая ветвь вольт–амперной характеристики выпрямительного диода, изображенной на рис.1.7, уже при небольшом прямом токе является линейной. Это – основная рабочая область характеристики диода.

К основным параметрам выпрямительных диодов, характеризующим их работу в выпрямительных схемах, относятся:

U пр.ср – среднее значение прямого падения напряжения, определяемое по вольт–амперной характеристике при заданном значении I пр.ср;

I обр – среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения U обр;

ƒ – диапазон рабочих частот, в пределах которого ток диода не уменьшается ниже заданной величины. В справочниках часто приводят предельную частоту диапазона ƒ max .

Кроме того, параметрами предельного электрического режима диода являются:

U обр.max – предельно допустимая амплитуда обратного напряжения;

I пр.max – максимальное значение прямого тока.

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (I пр.ср < 0,3 А), средней (0,3 < I пр.ср < 10 А) и большой (I пр.ср > 10 А) мощности.

Для повышения допустимого обратного напряжения изготовляются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно, а также выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Область применения выпрямительных диодов – преобразователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (выпрямители – АС-DC преобразователи.

1.7. Диоды Шоттки

В 1939 немецким физиком Вольтером Шоттки было экспериментально обнаружено явление выпрямления слабых сигналов в области соприкосновения металлической иглы с полупроводниковым кристаллом. По имени ученого диоды на основе контакта «металл-полупроводник» назвали диодами Шоттки.

Для возникновения потенциального барьера необходимо, чтобы работы выхода металла и полупроводника были различными. В полупроводнике n-типа работа выхода из него в металл должна быть меньше, чем из металла в полупроводник (Ф ВЫХ n < Ф ВЫХ м) . В этом случае, при сближении полупроводника n-типа с металлом, поток электронов из полупроводника n-типа в металл будет больше, чем в обратном направлении и металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. При сближении полупроводника р-типа с металлом, обладающим меньшей Ф ВЫХ. М, металл заряжается положительно, а полупроводник - отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов: U k = (Ф ВЫХ м – Ф ВЫХ n) /е, где е - заряд электрона. Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов Uk создаётся в приповерхностном слое полупроводника. При изготовлении диода Шоттки (рис. 1.8) на очищенную поверхность слаболегированного полупроводникового кристалла (Si, GaAs) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо химического или электролитического осаждения. При этом в приконтактной области полупроводника как и в диодах с электронно-дырочным переходом возникает потенциальный барьер, изменение высоты которого под действием внешнего напряжения приводит к изменению тока через прибор.

Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки (рис.1.9) имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых смещений ток экспоненциально растёт с увеличением приложенного напряжения. В области обратных смещений ток от напряжения не зависит. В обоих случаях, при прямом и обратном смещении, ток в барьере Шоттки обусловлен основными носителями заряда - электронами. По этой причине диоды на основе барьера Шоттки являются быстродействующими приборами, поскольку в них отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы. Прямое падение напряжения у кремниевого диода Шотки очень мало, обычно порядка 0.2...0.45 В. Падение напряжения пропорционально максимальному обратному напряжению. Например, падение напряжения на диоде с обратным напряжением 10 В может составлять всего лишь 0.3 В. Чем выше максимальное обратное напряжение и номинальный ток, тем больше прямое падение напряжения вследствие увеличения толщины n-слоя.

Недостатки диодов Шоттки:

во-первых, при кратковременном превышении максимального обратного напряжения, диод Шоттки необратимо выходит из строя, в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя, и при условии не превышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности, после снятия напряжения диод полностью восстанавливает свои свойства;

во-вторых, диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла.

В настоящее время для нужд преобразовательной и силовой электроники освоен выпуск диодов Шоттки на основе карбида кремния. В частности, компанией CREE выпускаются диоды Шоттки на основе карбида кремния с напряжением до 1200В и током до 20А.

Главное преимущество высоковольтных SiC-диодов Шоттки (ДШ) состоит в их исключительных динамических характеристиках. Заряд обратного восстановления (Qrr) этих диодов чрезвычайно низок (менее 20 нКл) и, как результат, - минимальны потери на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники. Кроме того, в отличие от кремниевых PiN диодов, скорость нарастания тока (di/dt) не зависит от величины прямого тока и температуры. Диоды нормально работают при максимальной температуре перехода 175°С.

Компанией CREE выпускается небольшой спектр SiC-диодов Шоттки, который состоит из трех групп: ДШ на напряжение 300, 600 В и 1200В.

Диоды Шоттки выпускаются компанией CREE в стандартных пластмассовых корпусах TO-220, DPAK, D2PAK, TO-247-3, TO-263.

Преимущества применения SiC-диодов

Диоды Шоттки компании CREE находят применения в импульсной силовой электронике: в схемах корректоров коэффициента мощности, в приводах электродвигателей и др. Применение этих диодов оправдывает себя при работе на повышенных частотах и напряжениях и делает экономически выгодными их использование.

Благодаря уникальным свойствам SiC-диодов, они могут работать на частотах вплоть до 500 кГц, обеспечивая высокую эффективность устройств порядка 92%.

При работе на высоких частотах уменьшаются габариты индуктивностей примерно на 30%. Благодаря отсутствию тока обратного восстановления снижаются электромагнитные помехи, что может позволить сэкономить на сетевом фильтре.

Уменьшение размера и веса электронных систем первоначально обусловлено требованием рынка на возрастающую плотность мощности. Для того, чтобы достигнуть этой цели без ущерба для функциональности системы, необходимо уменьшить размер и вес импульсного источника питания этой системы. В этом смысле SiC-диоды обладают рядом замечательных свойств:

Очень малым (практически нулевым!) временем восстановления основных носителей заряда при переключениях;

Более высокое напряжение пробоя, чем у кремниевых приборов;

Высокая температура функционирования до +175°С;

Высокая частота переключения, до 500кГц, что уменьшает размер фильтра электромагнитных помех и размеры других пассивных компонентов.

Уменьшение, либо исключение активных или пассивных демпферных цепей.

Положительный температурный коэффициент прямого падения напряжения позволяет осуществлять параллельное включение диодов без дополнительных компенсирующих цепей.