Лк9 (Лекции в ворде)

12 Характеристическое сопротивление диодов

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление r_d и сопротивление по постоянному току R_D. Дифференциальное сопротивление определяется как

(12.1)

На прямом участке ВАХ диода дифференциальное сопротивление невелико и составляет значение несколько Ом. На обратном участке ВАХ диода дифференциальное сопротивление r_d стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току R_D. Определяется как отношение приложенного напряжения к протекающему току через диод:

.

(12.2)

На прямом участке ВАХ сопротивление R_D >r_d, на обратном - R_D <r_d. В точке вблизи нулевого значения напряжения значения сопротивлений совпадают. Действительно, разложив экспоненту в соотношении (12.2), получаем:

.

(12.2)

13 Переходные процессы в полупроводниковых диодах

При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде значение тока через диод, соответствующее статической ВАХ, устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких переключениях называют переходным процессам. Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением носителей в базе диода при его прямом включении и их рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на динамические свойства диодов в режиме переключения.

Рассмотрим изменение тока I при переключении диода с прямого напряжения V_см на обратное напряжение. В стационарном случае величина тока в диоде описывается уравнением Шокли (7.39): После завершения переходных процессов величина тока в диоде будет равна .

При прямом смещении диода на основе несимметричного pn-перехода происходит инжекция неравновесных дырок в базу диода. Изменение во времени и пространстве неравновесных инжектированных дырок в базе описывается уравнением непрерывности:

(13.1)

В момент переключения напряжения в диоде с прямого на обратное (t=0) накопленные неосновные носители заряда будут возвращаться в обратном направлении: электроны в n-область, дырки в р-область.

Величина обратного тока в первый момент после переключения будет существенно больше, чем ток насыщения диода. Это происходит потому, что обратный ток диода обусловлен дрейфовой компонентой тока, а ее величина в свою очередь определяется концентрацией неосновных носителей в базе, определяемых выражением:

, .

(13.2)

С течением времени концентрация неравновесных носителей будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток. За время t₀, называемое временем восстановления обратного сопротивления или временем рассасывания, обратный ток придет к значению, равному току насыщения. На рис. 13.1 приведены координатные зависимости концентрации в различные моменты времени.

Рис. 13.1 Координатные зависимости p(x,t) в различные моменты времени

Для описания кинетики этого процесса запишем граничные и начальные условия для уравнения (13.1) в следующем виде:

, .

(13.2)

Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе ОПЗ pn-перехода:

(13.3)

Процедура нахождения кинетики обратного тока следующая. Учитывая граничные условия, решается уравнение (13.2) и (13.3) и находится зависимость концентрации неравновесных носителей в базе p(x,t) от времени и координаты.

Рис. 13.2 Зависимость обратного тока при переключении диода

В момент t=0 величина обратного тока будет бесконечно большой. Физическим ограничением для этого тока будет служить максимальный ток, который может протекать через омическое сопротивление базы диода r_б при обратном напряжении V_см. Величина этого тока, называемого током среза, I_ср равна: .

Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза. Для импульсных диодов время среза τ_ср и время восстановления обратного сопротивления τ_в являются важными параметрами. Для уменьшения их значения существуют несколько способов. Во-первых, можно уменьшить время жизни неравновесных носителей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных центров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители рекомбинировали на тыльной стороне базы.

14 Полупроводниковые диоды

В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе pn-перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

14.1 Выпрямительные диоды

Основная задача полупроводникового диода – выпрямление переменного (в частности синусоидального) тока, то есть выделение постоянной его составляющей. Выпрямительные или вентильные свойства полупро-водникового диода определяются его ВАХ (рис. 14.1).

Рис. 14.1 ВАХ идеализированного выпрямляющего устройства

ВАХ такого идеализированного выпрямляющего устройства можно охарактеризовать значениями обратного тока и прямого напряжения. Реальные ВАХ диодов представлены на рис. 14.2.

Рис. 14.2. ВАХ реального pn-перехода

Выпрямительный, или силовой, диод – прибор, предназначенный для выпрямления переменного тока . Кроме того их применяют в цепях управления и коммутации, для развязок в электрических цепях, ограничения выбросов напряжений в цепях с индуктивными элементами, а также в цепях, где необходимы вентильные элементы и не предъявляется жестких требований к временным и частотным параметрам.

На рис. 14.3, а, б приведены графики процесса однополупериодного выпрямления переменного тока и простейшая электрическая схема выпрямителя с использованием полупроводникового диода.

Основу выпрямительного диода составляет pn-переход, ВАХ такого диода имеет ярко выраженную нелинейность. В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Рис. 14.3. Графики напряжения и выпрямленного тока (а). простейшая выпрямительная схема (б)

По типу применяемого материала выпрямительные диоды подразделяют на германиевые и кремниевые. Наибольшее распространение получили кремниевые диоды, так как их обратные токи на несколько порядков меньше, а допустимые обратные напряжения существенно выше, чем в германиевых (рис. 14.4).

Рис. 14.4. Качественное сравнение ВАХ германиевого и кремниевого диода (масштабы прямого и обратного токов различны)

Вентильные свойства диода выражены тем ярче, чем меньше обратный ток и прямое напряжение (в идеальном случае они должны быть равны нулю). Эти требования противоречат друг другу. Уменьшение тока насыщения, например, за счет увеличения концентрации легирующей примеси в соответствии с формулой , ведет, как следует из формулы , к возрастанию контактной разности потенциалов и, следовательно, к увеличению прямого напряжения, которое необходимо подавать на диод для получения того же значения прямого тока. К аналогичным выводам можно прийти, анализируя влияние ширины запрещенной зоны (собственной концентрации носителей) на значения этих параметров.

В Si диоде обратный ток определяется током генерации-рекомбинации в ОПЗ, а в Ge диоде – током экстракции (насыщения I_s). На прямой ветви ВАХ при напряжении U* наблюдается резкий перегиб. Обычно значения U* составляют 0,6-0,7 В для диодов на основе Si и 0,3-0,4 В для Ge диодов. Эти значения близки к контактным разностям потенциалов этих материалов. При повышении температуры изменяются практически все электрофизические свойства полупроводников, поэтому изменяются и параметры полупроводниковых приборов, в частности, значение контактной разности потенциалов, уменьшается; ток насыщения, растет (рис. 14.5). Необходимо подчеркнуть, что изменение температуры диода может произойти не только вследствие изменения температуры окружающей среды, но и за счет саморазогрева pn-перехода при больших плотностях протекающего через него токов. Снижение влияния температуры добиваются путем введения специальных конструктивных элементов корпусов – радиаторов (рис. 14.6).

Рис. 14.5 ВАХ диодов при различных температурах: а – германиевый диод; б – кремниевый диод. Резкое возрастание тока при больших обратных напряжениях обусловлено пробоем pn-перехода

Рис. 14.6 Виды радиаторов

14.2 Стабилитроны

Стабилитрон (опорный диод) – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Стабилитроны используют также в качестве ограничителей постоянного или импульсного напряжения, элементов межкаскадной связи, источников эталонного напряжения и др. На ВАХ стабили тронов имеется участок со слабой зависимостью напряжения от тока. Такой участок ВАХ наблюдается у диодов, работающих в режиме туннельного или лавинного пробоя. На рис. 14.6, а приведена идеальная ВАХ стабилитрона. До наступления пробоя стабилитроны имеют очень большое статическое сопротивление (порядка 1 МОм), после пробоя – очень малое дифференциальное сопротивление ( =1-50 Ом).

Рис. 14.6. Вольт-амперная характеристика

При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U_стаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Основными характеристиками стабилитрона являются ток I_ст и напряжение U_ст стабилизации, дифференциальное напряжение стабилитрона R_д и температурная зависимость этих параметров.

Основное назначение стабилитрона - стабилизация напряжения на нагрузке (R_н), при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В неразветвленную часть цепи включают балластный резистор R₀, сопротивление которого должно быть существенно больше дифференциального сопротивления стабилитрона .