Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (Основы электроники и микроэлектроники (книга)), страница 9

Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике (кривая 3 рис. 1.1!,б) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на р-л переходе. Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обратного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделяемое в р-л переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.

Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур и допустимое обратное напряжение (примерно 0,8 от пробивного). Емкость р-л перехода. Электронно-дырочный переход обладает определенной электрической емкостью, складывающейся из двух емкостей — барьерной и диффузионной. Они создаются объемными зарядами противоположного знака: во-первых, неподвижными положительными зарядами ионов доноров и отрицательными — ионов акцепторов; во-вторых, подвижными объемными зарядами дырок и электронов, инжектированных нз области, где они были основными, в область, где они являются неоснов- 35 ными.

Во втором случае инжекция дырок нз р-области в и-область создает в ней у границы большую концентрацию неосновных носителей положительного заряда, а инжекция электронов в противоположном направлении создает в р-области у границы большую концентрацию неосновных носителей отрицательного заряда. Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в р-и переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной. или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь р-п перехода и меньше его ширина.

Ширина р-и перехода зависит от величины и полярности приложенною напряжения. Прн прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем больше ((жг. Это используется в полупроводниковых приборах (вари- капах), служащих конденсаторами переменной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади р-и перехода составляет десятки и сотни пикофарад.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе стороны от р-и перехода, где их концентрация в результате диффузии через р-и переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пикофарад.

При обратном напряжении она практически отсутствует. Таким образом, при прямом напряженны следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном — барьерную. Контрольные вопросы 1. Какие процессы происходят в р-л переходе прн отсутствии ннешнего напряжения? 2, Как влияет на величину потенциального барьера прямое напряжение на р-и переходе и какие процессы при этом происходят? 3. Как влияет на величину потенциального барьера обратное напряжение на р-л переходе н какие процессы при атом происходят? 4. Нарисуйте и объясните вольт-амперну!о характеристику р-л перехода. Ь.

Какие виды пробои могут произойти в р-л переходе? б. Чем обусловлены барьерная и диффузионная емкости р-л перехода? ганна КЗ. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЬ! 1.3.1. Устройство полупроводниковых диодов Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-л переходом и двумя выводами. Структура полупроводникового диода и его условное графическое обозначенне показаны на рис. 1.12.

Полупроводниковые диоды нашли широкое применение в различных областях полупроводниковой техники. Промышленность выпускает разные типы полупроводниковых диодов: выпрямительные, детекторные, сверхвысокочастотные, туинельные и другие, а также полупроводниковые стабилитроны и варикапы. а б Рнс. 1.12. Упрощенная структура (о) и Рис. 1.13. Схематическое устрой- условное графическое обозначение по- ство плоскостного (и) и точеч- лупроводникового диода (б) ного (б) диодов По конструкции полупроводниковые диоды разделяют на плоскостные и точечные.

Плоскостные диоды имеют плоскостной переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше ширины 1 (рис. !.1З,а). У точечных диодов линейные размеры площади р-и перехода очень малы и соизмеримы с его шириной. Точечный р-и переход создается около контакта острия металлической пружины с полупроводниковым кристаллом и-типа (рис. 1.13,б). Точечные диоды имеют малую емкость р-и перехода благодаря его небольшим размерам. Они могут работать в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, но допускают только малые токи и небольшие обратные напряжения. Эти диоды находят применение в маломощных высокочастотных устройствах, в частности, для детектирования радиосигналов.

Наибольшее распространение получили плоскостные диоды. Они используются как выпрямительные для преобразования переменного тока в постоянный, как стабилитроны — для стабилизации выпрямленного напряжения, а также для других целей. Двухслойные структуры с плоскостным р-и переходом созда- выпр ян Рис. !.!б. Применение диода длн выпрпмленин переменного тока 38 39 ются чагце всего по сплавной или диффузионной технологии. При изготовлении германиевого диода методом сплавления в пластину германия и-типа вплавляется таблетка индия (рис. 1.14, а). В процессе термической обработки атомы индия проникают в германий, создавая тонкий слой р-типа. Концентрация акцепторной примеси в р-области значительно превышает концентрацию донорной примеси в и-области, т. е.

получается несимметричный р-и переход. В таком диоде прямой ток создается в основном инжекцией дырок из р-области в и-областгп р-область является эмиттером, а и-область — базой. Методом сплавления может быть изготовлен и кремниевый диод. В этом случае основным материалом является кремний 8~ Рис.

!.(4. Структура полупроводниковых диодов, изготовленных методами сплавлеиин (а) и диффузии (б) и-типа, а для получения акцепторной примеси используется таблетка алюминия. Прямой ток протекает внутри диода от р-области к и-области. Выводы, соединяющие этн области с внешней электрической цепью, выполняют из металлов, создающих с полупроводником омический, т. е. невыпрямляющий, контакт. Вывод, от которого прямой ток течет во внешнюю электрическую цепь, называют катодиым (К), а вывод, к которому прямой ток течет из внешней цепи,— анодным (А).

При диффузионной технологии„наиболее широко применяемой для изготовления кремниевых диодов, особенно средней н большей мощности, основой служит также пластина кремния и-типа (рис. 1.14,б). В технологическом процессе через поверхность такой пластины при высокой температуре осуществляют диффузию атомов акцепторной примеси — алюминия или бора, который может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Омические контакты для выводов создают напылением алюминия в вакууме. Полученную двухслойную полупроводниковую структуру в виде кристалла с двумя областями— электронной и дырочной — укрепляют на кристаллодержателе н помещают в герметический корпус, защищающий кристалл от внешних воздействий.

Внешние выводы электродов соединяются с внутренними выводами от областей, которые изолируются от корпуса стеклянными изоляторами. 1.3.2. Принцип действия, характеристики и параметры выпрямительных диодов Принцип действия выпрямительных диодов основан на свойстве односторонней электропроводности р-и перехода. Если к диоду подвести переменное напряжение (рис. !.15), то в течение одного полупериода, когда на аноде положительная полуволна, на р-и переходе действует прямое напряжение.

При этом сопротивление диода мало; через него протекает большой прямой ток. В следующий полупериод полярность напряжения на диоде меняется на обратную. Его сопротивление значительно увеличивается; через него проходит очень малый обратный ток. Нагрузку гск включают в цепь источника питания последовательно с диодом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном направлении, поскольку обратным током по сравнению с прямым можно пренебречь. Таким образом происходит выпрямление, т.

е. преобразование переменного тока в постоянный по направлению (пульсирующий) . Схема выпрямленна с одним диодом, в которой ток проходит через нагрузку в течение половины периода, является простейшей. На практике применяют более сложные схемы. Вольт-империал характеристика диода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения. Ее вид определяется вольт-амперной характеристикой р-и перехода (см. рнс. 1.!1). Реальные характеристики отличаются от идеальных из-за влияния различных факторов.

Вольтамперная характеристика диода, как и р-и перехода, имеет две ветви: прямую и обратную. Схема для снятия вольт-амперной характеристики диода приведена на рис. 1.16. При снятии прямой ветви в схему включаются мнллиамперметр для измерения прямого тока и вольтметр, позволяющий измерить доли вольта. Для получения обратной ветви необходимо изменить полярность подаваемого напряжения, включить мнкроамперметр, измеряюгций обратный ток, и вольтметр со шкалой на десятки и сотни вольт. На рис. 1.17 представлены реальные вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диода.