L_1 (1075837), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Перечислим их:7а) от изменения прямого тока. Если диапазон изменения прямых токовсоставляет до двух порядков и более, то прямое напряжение при этом будетменяться существенно, но на практике диапазон изменения прямого тока гораздо уже, поэтому U пр =U* меняется незначительно, и в пределах такогодиапазона его можно считать постоянным и рассматривать как параметр открытого кремниевого перехода − U* (в нормальном режиме U* = 0,7 В, а вмикрорежиме U* = 0,5 В);Нормальный токовый режим: I о = 10−15 А; I пр = 10−3−10 − 4 А (при такомдиапазоне изменения прямых токов напряжение U пр изменяется от 0,69 В до0,64 В);Микрорежим: I о =10−15 А; I пр = 10−5−10−6 А (при таком диапазоне изменения прямых токов U пр изменяется от 0,57 В до 0,52 В)б) от изменения теплового тока: чем меньше тепловой ток, тем большепрямое напряжение;в) от изменения температуры: у германиевых переходов при повышении температуры U пр может вырождаться почти до нуля;г) от изменения площади перехода: прямое напряжение уменьшается сувеличением площади перехода.Определение параметров диода по ВАХIпрΔIпрRi =bРТa∆IпрR0 =cUпрΔUпр∆U прS=U прIпр∆I пр∆U пр=,Ом;,Ом;1 мА, .Ri В82.3.
Обратносмещённое (непроводящее) состояние p-n-перехода рассматривается при подключении внешнего источника с противоположной полярностью (рис.1.3.а)_F p-npI обр__ ++__ ++ n__++dЕ обр Iобр+ _F обра)Uобрб200Са700СIобрб)Рис.1.3_Iобр+Uобрв)При такой полярности внешнего источника поле p-n-перехода усиливается полем этого источника, потенциальный барьер p-n-перехода повышается, запрещенная зона расширяется и, при определенном U обр , диффузионныйток через переход прекращается. Носители каждой области оказываются "оттеснёнными" к краям полупроводника и лишь ток неосновных носителейпродолжает течь через переход, так как поле p-n-перехода для них имеет ускоряющий характер.
Процесс захвата электрическим полем неосновных носителей и перебрасывание их в соседнюю область называется экстракцией.Такое состояние p-n-перехода называется обратносмещённым, или непроводящим, а состояние диода ─ закрытым.Реальный обратный ток через диод содержит две составляющие ─ токнасыщения и ток термогенерации (I G0 ) Ток термогенерации сильно зависитот величины приложенного обратного напряжения и от температуры. Причиной появления тока термогенерации является генерация электроннодырочных пар в обратносмещённом переходе: при действии обратного напряжения. Процесс генерации оказывается неуравновешенным, так как процесс рекомбинации замедляется. Избыточные генерируемые носители подхватываются электрическим полем и переносятся в n- и p-области.
Потокиэтих носителей и образуют ток термогенерации9I− ϕ 2ϕItG0 = G0 e зТок I обр у реального диода на несколько порядков больше тока насыщения. Причиной этого являются поверхностные утечки (они нередко составляют большую часть обратного тока) и генерация электронно-дырочных парнепосредственно в области обратносмещённого p-n-перехода (ток термогенерации)При комнатной температуре у кремниевых диодов ток термогенерациина 2…3 порядка больше теплового. Тепловой ток очень мал до тех пор, покадиод работает при комнатной температуре.
С повышением температуры вполупроводнике вступает в силу собственная проводимость, и при температуре около 1000С ток насыщения становится равным току термогенерации.Но даже при комнатной температуре в диоде может развиться лавинообразный процесс нарастания количества носителей, что приведёт к увеличению обратного тока и, следовательно, мощности, выделяемой на диоде.
Этослучается тогда, когда идёт увеличение обратного напряжения на диоде: сповышением напряжения (U обр ) растёт скорость носителей, которые, соударяясь с атомами в узлах решётки, «выбивают» дополнительные носители(ударная ионизация), мощность, рассеиваемая на диоде возрастает, процесспринимает лавинообразный характер и может привести к пробою.Различают следующие виды пробоев:а) туннельный пробой (при напряженности поля перехода свыше 106В/см, рис.1.3б ─ до точки “а”);б) электрический пробой (лавинный, рис.1.3б, участок аб) Он безопасендля некоторых типов диодов, так как, при снятии напряжения, они восстанавливает свои рабочие свойства.
В пределах этого участка большим изменениям тока соответствуют незначительные изменения напряжения. Диоды,работающие в пределах участка «аб», получили название лавинных. Для лавинных диодов режим электрического пробоя является рабочим. Примеромтакого прибора является стабилитрон (опорный диод), который успешноиспользуется для стабилизации постоянного напряжения (см. лекцию №13«Источники вторичного электропитания»)10в) тепловой пробой возникает в результате саморазогрева перехода припротекании обратного тока (рис.1.3, после точки“б”,); процессы, которыеидут при этом в переходе, необратимы, и рабочие свойства перехода послеснятия напряжения не восстанавливаются: на переходе увеличивается рассеиваемая мощность и соответственно температура. (вот почему в справочной литературе строго ограничивается величина обратного напряжения напереходах диодов и транзисторов)Необходимо четко отличать ток тепловой от тока обратного, получившего название тока термогенерации; в кремниевых структурах тепловой токпри комнатной температуре вообще не учитывается.
В германиевых структурах тепловой ток на 6 порядков больше, чем у кремниевых, поэтому в германиевых структурах этим током пренебрегать нельзя.С достаточной точностью для практики можно считать, что обратныйток через кремниевый диод возрастает в 2…2,5 раза при увеличении температуры на каждые 100С.При малых значениях обратного напряжения через p-n-переход будетнаблюдаться движение и основных носителей, образующих ток, противоположно направленный току дрейфа, но он небольшой величины (при U обр ,большем 3ϕ t , диффузионный ток через переход прекращается)Iдиф= I o (e − u обр ϕ t −1 ).Результирующий ток через p-n-переход при действии обратного напряженияI рез = I диф − I 0 = I 0(e − uобр /ϕ t −1)(1.4)Уравнение (1.4) описывает обратную ветвь обратносмещенного перехода (рис. 1.3б)Вывод.
Анализируя прямую и обратные ветви вольтамперной характеристики диода, приходим к выводу, что p-n-переход хорошо проводит ток впрямосмещенном состоянии и очень плохо в обратносмещенном, следовательно, p-n-переход имеет вентильные свойства, поэтому его можно использовать для преобразования переменного напряжения в постоянное, например,11в выпрямительных устройствах (в блоках питания) Эта особенность переходаиспользуется в выпрямительных диодах (см. лекцию 13 «Источники вторичного электропитания»)1.2.1.
Температурные свойства p-n-переходаРабота полупроводниковых приборов в значительной степени зависит оттемпературы: в уравнении (1.1) два температурозависимых параметра:а) I 0 ─ ток насыщения (тепловой) Для идеального перехода ток насыщения (I 0 ) определяет величину обратного тока, а в реальных переходах I 0намного меньше обратного тока. Ток I 0 сильно зависит от температуры (рис.1.3б); даже незначительные изменения температуры приводят к изменениюI 0 на несколько порядков.
Экспериментально было доказано, что тепловойток удваивается через каждые 8оС. У кремниевых диодов при комнатнойтемпературе тепловой ток на шесть порядков меньше, чем у германиевых.Поэтому у германиевых переходов при одинаковых условиях прямые напряжения на 0,35 В меньше и, в зависимости от режима, составляют 0,25−0,15 В(напряжение отпирания у германиевых переходов при повышении температуры вырождается почти в "0")б) φ t ─ тепловой потенциал (линейно зависит от температуры) Прикомнатной температуре φ t .= 25мв, а при повышении температуры φ t рассчитывается по формуле: ϕ = Т (К ) , где Т(К) ─ температура (по Кельвину)t 11600ВАХ открытого диода (рис.1.2б) отражает зависимость параметров диода от температуры: при повышении температуры в силу вступает собственная проводимость диода, идёт нарушение ковалентных связей и ВАХ смещается влево.На этот факт надо обратить особое внимание, так как входная ВАХбиполярного транзисторов аналогична ВАХ открытого диода, и, при проектировании усилителей на транзисторах, вопрос температурной стабилизации положения рабочей точки (РТ) на ВАХ решается конкретным усложнением схемы усилителя.12Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяетмаксимально допустимую температуру для него, которая составляет 80−100оС для германиевых диодов и 150−200 оС для кремниевых.Минимально допустимая температура для диодов обычно лежит в пре-делах от 60 до −70оС.На рис.
1.1 прямая ветвь характеристики, снятая при 70 оС, сместиласьвлево: с повышением температуры вступает в силу собственная проводимость полупроводника, число носителей увеличивается, так как усиливаетсяпроцесс термогенерации. Обратная же ветвь ВАХ (рис. 1.1) смещается вправо, то есть с повышением температуры до +70 оС электрический пробой впереходе наступает раньше, чем при температуре +20 оС.
При увеличенииобратного напряжения к тепловому току добавляется ток термогенерации. Всумме эти два тока образуют через обратносмещенный переход обратный токI обр . При изменении температуры новое значение обратного тока можно определить из соотношенияIгде I обр.20оСобр=Iобр.20 о СТ − t 10 о СА(1.5)− значение обратного тока при температуре не выше 270С(берется из справочной литературы);А − коэффициент материала, из которого выполнен полупроводниковыйприбор (А германия = 2; А кремния = 2,5);ϕt− температурный потенциал, который при комнатной температуреравен 0,025 В, а при другой температуре ϕ t можно определить по формулеТ ( оК )ϕ =.t 11600(1.6)1.2.2.
Частотные и импульсные свойства p-n-переходаПри воздействии на p-n-переход напряжения высокой частоты начинаютпроявляться инерционные свойства перехода: распределение носителей придостаточно быстрых изменениях тока или напряжения требует определённого времени.13На рис. 1.4. а, б даны упрощенные эквивалентные схемы полупроводникового перехода (простейшего диода ─ открытого и закрытого соответственно) на высоких частотах:r p-n − сопротивление p-n-перехода при прямосмещённом и обратносмещённом состояниях.r обл − суммарное сопротивление n- и p-областей и контактов этих областей с выводами (r обл < r пр << r обр )Сопротивление ёмкости в общем случаеΧc =1,2πfCrр-пrоблrр-п(1.7)СбарСдифа)б)Рис. 1.4Внешнее напряжение изменяет ширину запрещенной зоны, высоту потенциального барьера, граничную концентрацию носителей (величину объемных зарядов в переходе), следовательно, p-n-переход обладает емкостью.Для p-n-перехода характерны два состояния (прямо- и обратносмещенное),поэтому эту емкость можно условно разделить на две составляющие − барьерную и диффузионную.
Деление емкостей на барьерную и диффузионнуюявляется чисто условным. Учитывая тот факт, что значения их сильно отличаются, на практике понятие диффузионной удобнее использовать для прямосмещенного p-n-перехода (при прямом напряжении главную роль играютизбыточные заряды в базе), а понятие барьерной емкости ─ для обратносмещенного p-n-перехода (при обратном напряжении избыточные заряды в баземалы) Обе эти ёмкости нелинейные.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
