L_1 (1075837), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Диффузионная ёмкость зависит от прямого тока, а барьерная ─ от обратного напряжения.Барьерная емкость отражает перераспределение носителей в p-nпереходе, то есть эта емкость обусловлена некомпенсированным объемным14зарядом, сосредоточенным по обе стороны от границы перехода. Роль диэлектрика у барьерной емкости выполняет запрещенная зона, практическипочти лишенная носителей. Барьерная емкость зависит от площади перехода,от концентрации примеси, от напряжения на переходеξ eN дdQ,=ПС =б dU2(ϕ t + U )где П − площадь p-n-перехода (в зависимости от площади переходабарьерная емкость может изменяться от единиц до сотен пикофарад); ξ − диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; N д − концентрация примеси; U − напряжение на переходе.Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пФ.
Припостоянном напряжении на переходе барьерная емкость определяется отношением C =б∆QQ, а при переменном C =.б ∆UUоб роб рОсобенностью барьерной емкости является то, что она изменяетсяпри изменении напряжения на переходе (рис. 1.5); изменение барьерной емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины, то есть эта емкость нелинейная, и при увеличении обратного напряжения барьерная емкость уменьшается, так как возрастает толщина запирающего слоя (площадь p-n-перехода)СбарСбар.макСбар.минUобрРис. 1.5.В силовых полупроводниковых приборах площадь p-n-перехода делаетсябольшой, поэтому у них велика величина барьерной емкости. Такие полупро-15водниковые диоды называют плоскостными.
Если такой диод использовать,например, для выпрямления переменного напряжения высокой частоты в постоянное, то барьерная емкость, зашунтировав переход, нарушает его одностороннюю проводимость, то есть переход теряет выпрямительные свойства,поэтому частотный диапазон плоскостных диодов ограничивается промышленными частотами. Но барьерная емкость может быть и полезной: приборыс явно выраженными емкостными свойствами (варикапы, стр.28) используются для электронной перестройки контуров. Плоскостные диоды рассчитаны на работу в электрических цепях с большими токами.У точечных диодов площадь перехода мала, поэтому барьерная емкостьневелика и частотный диапазон гораздо шире, чем у плоскостных.
Работаютточечные диоды только в слаботочных цепях.Диффузионная емкость отражает перераспределение носителей в базе:еС≈I τ,диф kT пргде τ − время жизни носителей; I пр − прямой ток через диод.Значение диффузионной емкости колеблется от сотен до тысяч пФ.Диффузионная емкость также нелинейна и возрастает с увеличениемпрямого напряжения. Образование этой емкости схематично можно представить следующим образом.
Эмиттером будем считать p-область, а базой nобласть. Носители из эмиттера инжектируются в базу. В базе вблизи перехода происходит скопление дырок − объемный положительный заряд, но в этовремя от источника прямого напряжения в n-область поступают электроны, ив этой области, ближе к внешнему выводу, скапливается отрицательный объемный заряд. Таким образом, в n-области наблюдается образование двух разноименных зарядов "+Q диф " и "−Q диф ". При постоянном напряжении эта емкость рассматривается как отношение абсолютных значений заряда и контактной разности потенциалов (прямого напряжения)Cдиф = Qдиф U пр ,а при переменномCдиф = ∆Qдиф ∆U п р .16Так как вольт−амперная характеристика перехода нелинейна, то с увеличением внешнего напряжения прямой ток растет быстрее, чем прямое напряжение на переходе, поэтому и заряд "Q диф " растет быстрее, чем прямоенапряжение, и диффузионная емкость тоже увеличивается.Диффузионная емкость является причиной инерционности полупроводниковых приборов при работе в диапазоне высоких частот и в режиме ключа,так как процесс накопления и, особенно, рассасывания объемного зарядатребует затраты определенного времени.На низких частотах сопротивления диффузионной и барьерной ёмкостейочень велики и они не оказывают заметного влияния на работу электронныхприборовДиффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее для практических целей нельзя, так как она зашунтирована малымсопротивлением прямосмещенного p-n-перехода.При работе электронных приборов в устройствах с микросекундной инаносекундной длительностью импульсов важным параметром будет времявосстановления обратного сопротивления t вос .t вос .
− интервал времени от момента переключения до момента, когдаобратный ток уменьшается до заданного уровня отсчета; при подаче, например, на диод запирающего импульса ток не может мгновенно уменьшитьсядо нуля, так как в базе образовался объемный заряд и на его рассасываниетребуется определенное время. Этим и объясняется выброс обратного тока вцепи диода.Ёмкости p-n-перехода в значительной степени определяют быстродействие p-n-переходов и приборов на их основе.Для уменьшения инерционных свойств перехода на высоких частотах ив режиме ключа широкое применение получили диоды, выполненные на основе контакта «металл-полупроводник» ─ диод Шоттки.3.
Структура контакта «Металл-полупроводник» (МП) иполупроводниковые диоды на основе этой структуры.17Одна из областей такой структуры является металлом, а другая − полупроводником.Структуры МП, в зависимости от функционального назначения, могутвыполнять как выпрямляющие функции p-n-перехода, так и функции обычных омических контактов.мА IпрVDШVDобычныйVDа)UобрUпр02...0,4 06...0,9Вб)Рис.1.6.На рис.1.6. показаны: условное графическое изображение диода Шотткина схемах(рис.1.6 а), ВАХ диода Шоттки (VDШ) и выпрямительного диода(VD обычный )В основе работы диодов Шоттки используется эффект Шоттки: ток вних образуется за счёт основных носителей, следовательно, накопления объёмного заряда не происходит, влияние диффузионной ёмкости сведено практически к нулю. Поэтому переключающие свойства электронных приборов,выполненных на основе контакта «металл-полупроводник», гораздо выше посравнению с приборами на основе контакта «полупроводникполупроводник».Большой интерес представляет структура контакта полупроводника с диэлектриком (Si-SiO 2 ), в основе которого лежит влияние свойства среды, с которой граничит полупроводник, на свойства приповерхностного слоя.
Примером могут служить контакты МП, так как наличие металла на поверхностиполупроводника приводит к образованию в нём обеднённого или обогащённого слоёв; если кремний имеет проводимость n-типа, то электроны, перешедшие в него из SiO 2 , обогащают приповерхностный слой основными но-18сителями, образуя, при этом, n-канал («незапланированный») Возникновениетаких незапланированных каналов под слоем SiO 2 нормализует работу ИС.Статические параметры диодовВсе параметры диодов перечислить невозможно (их много), да и разумнее будет назвать лишь те параметры, которые широко используются длядиодов разных групп:• I пр.макс ─ максимально допустимый прямой постоянный ток;• r диф ─ дифференциальное сопротивление диода по переменной составляющей тока;• r 0 ─ статическое сопротивление диода по постоянной составляющейтока (определяется в рабочей точке на ВАХ);*• U пр. = U ─ падение напряжения на открытом диоде, соответствующееноминальному току;• I обр ─ постоянный обратный ток через диод, когда он закрыт;• U обр ─ обратное напряжение ─ наибольшая разность потенциалов,приложенная к диоду, когда он закрыт;• S ─ крутизна ─ характеризует проводимость диода на участке «анодкатод»; на крутизну ВАХ заметное влияние оказывает сопротивление, распределённое в слое базы ─ r б .• P адоп ─ Мощность рассеяния, допустимая для определённого типадиода.
Превышать её нельзя: прибор выйдет из строя.Для силовых диодов величина токов и обратных напряжений может достигать килоампер и киловольт соответственно.Конкретное использование выпрямительных диодов в блоках питаниясмотрите в разделе «Источники вторичного электропитания».4.
Математическая модель диодов, практическая ценностьмоделиПри анализе электронных схем на ЭВМ все электронные приборыдолжны быть представлены их физическими и математическими моделями.19Общее определение для математической модели полупроводниковыхприборовМатематической моделью полупроводниковых приборов называетсясистема уравнений, описывающих физические процессы в приборе. В математическую модель входят физическая модель прибора и математическиевыражения, описывающие элементы этой модели. Один и тот же приборможно описать несколькими математическими моделями: важна степеньточности модели прибора, то есть степень соответствия прибора и модели.Простые модели диода первого порядка полезны для выполнения анализа вручную.
Такие модели дают не очень высокую точность, но они помогают понять работу схемы и обозначить её главные параметры4.1. Модели для ручного анализаuУравнение идеального диодаaϕI пр = I 0 (е t − 1)позволяет формироватьпростейшую модель диода при ручном анализе диодных цепей (рис.1.7)+Е-VDПриведённая модель (рис.1.7) даётдовольно точные результаты, ноимеет недостаток: имеет сильнуюнелинейность.Рис.1.7.Для получения более точных результатов рекомендуется использованиесложных моделей хотя бы второго порядка и компьютерное моделирование.4.2.
Компьютерное моделирование.Компьютерное моделирование используется для более сложных цепей.На рис.1.8. представлена более сложная физическая модель диода и егоВАХ. После аппроксимации ВАХ видно, что наибольшая погрешность модели приходится на участок, где U пр < U д0 .20мА IпрrутIпробАнодrбУИТIдКатодUобрВrуrпробСдифrдинUпробUпрUд0Iд0ВСбара)б)Рис.1.8.r б ─ омическое сопротивление, распределённое в слое базы.r ут ─ сопротивление утечки реального диода.УИТ ─ управляемый источник тока (I д ), который моделирует статическую ВАХ диода.Этот ток можно представить выражениемI = I 0 (eU д ϕ t − 1)дI проб ─ источник тока, который моделирует увеличение тока через диодпри обратных напряжениях, близких к пробивному (U проб )Этот ток можно представить выражениемIпроб= I 0 (e − U д ϕ t − 1)С бар и С диф ─ ёмкости диода, которые отражают динамические свойствадиода (или переходные процессы в диоде)Зависимость С бар от приложенного напряжения можно представитьуравнениемСбар=Сбар0,U γ(1 − д )ψгде ψ; γ ─ параметры аппроксимации (ψ ≈ 1; γ ≈ 0,3…0,5)21С бар0 ─ барьерная ёмкость при напряжении на диоде U д = 0.Диффузионную ёмкость, как накопитель неосновных неравновесных носителей можно представить уравнениемСдиф=d ( I дτ э) τ ( I 0 + I д)dQ,==dUdUmϕддtгде τ э ─ эффективная постоянная времени.В диодах с широкой базой τ э рассматривается как время жизни неосновных носителей в базе.В диодах с узкой базой τ э рассматривается как время пролёта носителейчерез базу.m ─ коэффициент плавности; этот параметр вводится для того, чтобыопределиться ─ с резким или плавным p-n-переходом имеем дело.
Для резкого перехода (когда переход от n-материала к p-материалу не имеет протяжённости) m = 0,5, а для плавного (или линейного) m = 1/3.Вывод.Если при анализе электронных схем будет использоваться приведённаяна рис.11.18 динамическая модель диода, то предварительно придётся определитьследующиепараметрымодели:I ; I д; ϕ д = mϕ t ; ϕ t ; ϕ 0 ; γ ;τ э ; С бар ; r б ; r ут ,0где I 0 ─ ток насыщения; I д ─ номинальный ток открытого диода;φ t ─ тепловой потенциал; φ 0 ─ контактная разность потенциалов принулевом смещении на переходе; φ д ─ контактная разность потенциалов сучётом коэффициента эмиссии.В качестве примера компьютерного моделирования воспользуемся стандартной PSPICE-моделью диода (ри.1.9)Статическая ВАХ диода в PSPICE-модели моделируется нелинейнымисточником тока «I пр », который описывается уравнением идеального диодаuaϕI пр = I 0 (е t − 1)22Rобл+Uд_IпрCдРис.1.9.При необходимости в уравнение можно ввести коэффициент эмиссии«n» («nφ t »), но, как правило, он равен единице, поэтому, в данном уравненииего нет.Резистор R обл моделирует последовательное сопротивление, вносимоеобластями по обе стороны перехода: при более высоких уровнях тока, сопротивление тоже не остаётся постоянным, и поэтому напряжение U д будет отличаться от внешнего прикладываемого напряжения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
