62707 (Полупроводниковые диоды), страница 3

U – напряжение, приложенное к р-n переходу;

е - основание натуральных логарифмов;

q – заряд электрона;

k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура р-n перехода

–температурный потенциал, при комнатной температуре равный примерно 0,025 В.

Формула (1.1) пригодна как для прямых, так и обратных напряжений, при этом прямое напряжение считается положительным, обратное – отрицательным. В таблице 1.1. приведены данные, показывающие изменение прямого (Iпр) и обратного (Iоб) тока через переход при разных величинах приложенного внешнего напряжения.

Таблица 1.1

Токи приведены в значениях, относительных обратного тока I0. Расчет проводился по формуле (1.1).

Из таблицы и формулы (1.1) следует, что при положительных (прямых) напряжениях ток через р-n переход с увеличением напряжения резко возрастает, поэтому

, (1.2)

При отрицательных (обратных) напряжениях показатель степени числа е – отрицательный. Поэтому при увеличении обратного напряжения величина

, (1.3)

т.е. обратный ток равен току насыщения и в определенных пределах остается величиной практически постоянной. Обычно ток І0 имеет величину порядка микроампер.

Р-п переход представляет собой нелинейный элемент. У него не только явно выраженная неодинаковая проводимость при прямом и обратном напряжении, но и явная нелинейность прямой ветви ВАХ. Ее можно описать статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями. Дифференциальное сопротивление (rд) находится путем дифференцирования ВАХ, что с учетом (1.2) приводит к выражению:

(1.4)

Динамическое сопротивление может быть определено графически как котангенс угла между касательной в рассматриваемой точке ВАХ и осью абсцисс (штриховая линия на рисунке 1.4. с углом наклона β):

(1.5)

где U и I – конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки;

ти и mI – масштабы осей напряжения и тока.

Статическое сопротивление (Rст) численно равно отношению напряжения на элементе U к протекающему через него току I. Это сопротивление равно котангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:

(1.6)

В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение RСТ может быть меньше, равно или больше значения rд. Однако RСТ всегда положительно, в то время как rд может быть и отрицательным, как, например, в случае туннельного диода.

Падение напряжения на прямой ветви ВАХ перехода могут быть определены аналитически:

. (1.7)

Диоды. Основные свойства

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами.

В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный р-п переход, разделяющий р и n области кристалла полупроводника, который был рассмотрен выше. По существу, к р - и n областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус. Поэтому основные характеристики и параметры диода определяются свойствами перехода. Прежде всего, это его выпрямляющие свойства.

Как было указано выше вольтамперная характеристика (ВАХ) диода (рисунок 1.4), в первом приближении, описывается выражением (1.1). Некоторые отличия определяются реальными конструктивно-технологическими особенностями и допущениями, использованными при выводе (1.1). Наиболее заметны расхождения при обратных напряжениях. Обратный ток увеличивается при увеличении обратного напряжения, в то время как из анализа он должен быть практически неизменным. Обуславливается это появлением составляющих, связанных с ростом объема (толщины) p-n перехода и утечками по поверхности диода между его выводами. Соотношение между этими составляющими и током I0, входящим в выражение (1.1), различно у разных приборов и, прежде всего, зависит от типа исходного полупроводникового материала. Так, для германия основную роль играет тепловой ток, а для кремния – картина противоположная. Поэтому, хотя теоретические значения обратного тока I0 германиевых диодов на 7...8 порядков больше, чем для кремниевых, реальные обратные токи отличаются примерно на 3 порядка.

Так как обратные токи невелики, а индивидуальные разбросы могут быть значительными, то в технической документации диода указывают их максимально возможные величины, получаемые при определенных условиях. В дальнейшем, для обозначения обратного тока мы будем использовать обозначение I0, не учитывая его разделение на составляющие. Для сохранения преемственности вычисления прямого тока в выражение (1.2) вводят поправочный коэффициент т:

, (1.8)

который для кремниевых диодов может принимать значения 2 и выше.

Свойства p-n перехода существенно зависят от температуры окружающей среды. При повышении температуры возрастает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок, т.е. увеличивается концентрация неосновных носителей и собственная проводимость полупроводника, что, прежде всего, сказывается на изменении обратного тока. При увеличении температуры обратный ток увеличивается примерно в 2 раза при изменении температуры () на каждые 100С у германиевых и на каждые 7,50С у кремниевых диодов:

, (1.9)

где обратный ток измерен при температуре .

Максимально допустимое увеличение обратного тока определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 … 100°С для германиевых диодов и 150 … 200°С – для кремниевых.

Минимально допустимая температура диодов лежит в пределах минус (60 … 70) °С.

Прямой ток p-n перехода при нагреве возрастает не так сильно, как обратный ток. Это объясняется тем, что прямой ток возникает в основном за счет примесной проводимости. Но концентрация носителей, определяемых примесью, от температуры практически не зависит. Температурная зависимость прямой ветви вольтамперной характеристики в соответствии с формулой (1.4) определяется изменениями тока І0 и показателя экспоненты, в который входит температурный потенциал. Увеличение обратного тока приводит к изменению падения напряжения на нем при прохождении прямого тока. Если через германиевый диод протекает постоянный ток, при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2,5 мВ/°С:

. (1.10)

Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от – 1,5 мВ/°С в нормальном режиме до – 2 мВ/°С в режиме микротоков.

При определенном значении обратного напряжения Uобр = Uпроб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока Iобр, соответствующий электрическому пробою p-n перехода (отрезок АВ рисунка 1.5).

Рисунок 1.5. Вольтамперная характеристика диода (стабилитрона)

Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-п переходе, либо в результате разогрева перехода в связи с выделением на нем значительной мощности, превышающую возможности теплоотвода. Первый тип пробоя называется электрическим, второй – тепловым. Электрический пробой обратим, т.е. после уменьшения напряжения Uобр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Хотя, если обратный ток при электрическом пробое не ограничить, то он переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Тепловой пробой необратим, так как разрушает p-n переход.

Электрический пробой характерен для кремниевых диодов. В германиевых диодах при увеличении обратного напряжения тепловой пробой p-n перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного нарастания тока Iобр.

Электрический пробой бывает двух видов. Первый из них возникает в узких переходах, в которых под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера в области р-n перехода (зинеровский, туннельный пробой). Второй – развивается в результате ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой). Сущность этого явления заключается в том, что двигаясь с большей скоростью на участке р-n перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате такой ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые, в свою очередь, разгоняются полем и создают всевозрастающее количество носителей тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через р-n переход.

Тепловой пробой р-n перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока. Увеличение тока, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно.

Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения. Возможность теплового пробоя диода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения Uобр max и температурного диапазона работы. Напряжение пробоя зависит от типа диода и температуры окружающей среды.

Имеются некоторые отличия и прямой ветви ВАХ реального диода от ВАХ идеального p-n перехода. Нарастание падения напряжения диода при больших токах отступает от экспоненциального и становится более линейным. Это объясняется тем, что становится заметным падение напряжения на омическом объемном сопротивлении полупроводника, из которого сформирован диод.

Значительные различия в обратных токах диодов на основе германия, кремния и соединений галлия (основного полупроводникового материала свето и некоторых сверхвысокочастотных диодов) приводит к существенным различиям в их прямой ветви ВАХ (рисунок 1.6). Прямая ветвь ВАХ германиевых диодов начинается практически из начала координат, кремниевых диодов – расположена значительно правее, и еще больший сдвиг у диодов на основе соединений галлия. Заметные токи у маломощных кремниевых диодов начинаются при прямых напряжениях 0,2...0,5 В, светодиодов – 1,2 … 1,6 В. Можно считать, что у них имеется некоторое пороговое напряжение Uпор (указанных величин), ниже которого прямой ток равен нулю, точнее пренебрежимо мал.

Рисунок 1.6. Прямые ветви ВАХ диодов на основе разных полупроводниковых материалов