Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Отметим, что в уравнении (2.22) направление тока противоположно прямому току. 1, называется «обратньпн током насыщения», график его приведен на рис. 2.17. Зависимость обратного тока насыщения от параметров полупроводника была дана вы- ! Область ше в уравнении (2.20). Концентрации неоснов- обоз „оп», ных носителей зависят от температуры и следовательно, обратный ток насьпцения тоже 1 !е зависит от температуры. Как уже отмечалось У ранее, он удваивается на каждые 10 градусов повышения температуры. При комнатной температуре концентрация собственных носителей больше у герма рис. 2.17. Ток через обратния, следовательно, обратный ток насьпцения носмещенный р-и-днод.
Велиу германиевых приборов примерно в милли- чина тока 1, обычно и днзпзон раз больше, чем у кремниевых. Обратныи зоне от микроамперов до мнл- кнампероп ток насыщения не является полезным током. Он создает помехи в схемах. Чем меньше его значение, тем лучше. Поэтому кремниевые приборы превосходят германиевые.
2.7. Емкость перехода Вид емкости зависит от состояния р-»«-перехода — прямого и обратного смещения. Ез«кос«пь обедненной области У обедненной области есть пространственный заряд. Когда переход сме'нен в обратном направлении, обедненная область расширяется и пространственный заряд увеличивается. Поскольку в обедненной области нет "одвижных носителей заряда, ее свойства похожи на свойства диэлектрика Обе стороны обедненной области, легированные «»- и р-области, действуют как проводники. Таким образом, переход можно представить как конденсатор с параллельными обкладками. Емкость Ст обратносмещенного перехода на единицу площади можно выразить как (2.23) Ст = е/И'. ~~~ 56 Глава в.
р-п-переход Используя уравнение (2.18), заменяем ширину обедненной области и по- лучим ,мв ( вд~д~р ~2(Яд+ Хо) ~ (2.24) Ст называется барьерной емкостью, иногда ее называют емкостью обедненной области, емкостью пространственного заряда или просто емкостью перехода. Из уравнения (2.24) следует, что сильное легирование р- и и-областей приводит к большой емкости перехода. Применяя уравнения (2.23) и (2.24), можно оценить Ст. Например, для кремниевого диода с шириной обеднения И~ = 2 х 10 7 м, вс 11,0 (учитывая, что в = во с„, со = 8,85 х 10 ш Ф/м — диэлектрическая проницаемость свободного пространства), можно записать, в соответствии с уравнением (2.23) 11х8,85х10 ш Ст = ' г 485 мкФ/м~.
(2 х 10 г) Если площади перехода 10 е м2, то Ст = 485 пФ. Уравнение (2.24) соответствует емкости резкого перехода. Ст = св ( — 1') ~ (резкий переход). Для плавного р-и-перехода, полученного по диффузионной технологии (рассмотрим позже), эту зависимость можно представить как Ст = сх ( — Ъ') '/~ (плавный переход). Следовательно, точно зная зависимость емкости от приложенного обратного напряжения, можно узнать о типе перехода прибора.
Теперь должно быть очевидньпм, что диод окаия зывает очень большое сопротивление ( МОм) току при обратном смещении и очень маленькое (несколько Ом) при прямом смещении. Это свойство р-и-диода лежит в основе процесса выст прямления. Емкость перехода влияет на эффективность рис. злв. эквивалентная диода на высокой частоте. Обратносмещенный р-и-диод можно представить в виде эквивалент- перехода; Ст — емкость п е р е со д в ~ с о ~ и о от и н ой с х ем ы ( р и с .
2 . 1 8 ) . Н а н ко й ч а с ' о е р е а квление ( мОм) перехода тинное сопротивление конденсатора Ст велико, при обратном смещении оно не влияет на сопротивление обратносмещенного перехода Л„, и диод продолжает оказывать очень высокое сопротивление. На определенной частоте реактивное сопротивление Ст становится сравнимым с А„, эффективность диода падает из-за снижения обратного импеданса (полного сопротивления) диода. Й.8. п~ бм р д Д7 Пример 2.5. Вычислить емкость германневого р-н-перехода с площадью (1 х Ц ммэ я шириной обедненной области 5 х 10 в см.
Диэлектрическая проницаемость Се равна 16 и ео = 8,85 х 10 э4 Ф/см. решение. Используем уравнение (2.23): Ст = е/]ть, где е = л„ео, е„— относительная диэлектрическая проницаемость, ео — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, равная 8,85 х 10 м Ф/см. Следовательно, Сг = (16 х 8,85 х 10 '~)/5 х 10 а = 28,3 х 10 е. Поскольку площадь перехода (1 х 1) ммэ = 10 э смэ, общая емкость перехода Ст = 28,3 х 10 в х 10 э, т. е. Ст = 283 пФ.
дирл4узионная емкость Вдоль прямосмещенного перехода накапливается большое количество не- основных зарядов (например, большая концентрация дырок на п-стороне перехода, рис. 2.12, б). Переход может быть представлен диффузионной емкостью С11. При работе прибора на низких частотах С11 можно представить через относящиеся к неосновным носителям параметры (такие как диффузионная длина, диффузионная постоянная) в следующем виде: Сп = (9(йТ) ~ + Р ехр (д(МТ) .
(2.25) Параметры уравнения (2.25) уже были объяснены при рассмотрении уравнения (2.20). Величина Сп много больше, чем Ст, и она тоже ограничивает эффективность диодов и транзисторов на высоких частотах. 2.8. Пробой перехода Обычно через обратносмещенный переход текут маленькие токи (микроамперы или наноамперы). При дальнейшем росте обратного напряжения с некоторого его значения обратный ток начинает расти значительно Это явление называется пробоем перехода.
На рис. 2.19 представле"а вольт-амперная характеристика р-п-диода, включая область пробоя. У Р-тьдиодов общего назначения обратный ток растет обычно медленно (как на графике), а у стабилитронов — очень резко (рассмотрим ниже). Явление пробоя обратимо, т.е. прибор возвращается в рабочее состояние после снятия приложенного обратного напряжения. Диод не выходит "з строя, если обратный ток не превысит значения максимально допустимого обратного тока.
э Выв Вывод этой формулы дав в работе ]1]. ~~~~8 Глава 2. р-и-переход Существуют два разных механизма пробоя перехода: — лавинный пробой; — зенеровский пробой. Кратко рассмотрим механизмы этих пробоев. Лавинна»б пробой В обратносмещенном р-и-диоде (рис. 2.10, 6) электроны, образованные за счет тепловой энергии, дрейфуют под воздействием приложенного поля из р-области в сторону и-области и приобретают энергию. Если приложенное напряжение превышает напряжение пробоя, энергия электрона становится достаточной, чтобы выбить другие электроны при столкновении (рис.
2.20). Процесс начинается с небольшого количества электроРис. 2.19. Пробой р-и-перехонов, они умножаются, их становится много, да прк обратном напряжении, превышающем крптвческоеэпа- и обратный ток быстро растет. Аналогиччение ный механизм наблюдается и для дрейфующих из и-области в р-область неосновных дырок. Таким образом, носители заряда умножаются, и обратный ток быстро растет. Этот процесс известен как «лавинный пробой», он объясняет внезапный рост обратного тока. Дрейфующие электроны с высокой энергией ° ~ ° ° ° В ° ° Выбитые ° ° В ° ° Валентные электроны атома В~ д Ет ° Л=Ед Е = Е,Уд Л, (2.26) где Ед — ширина запрещенной зоны полупроводника.
Максимальная на- Рис. 2.20. Электрическое поле па переходе достигает критического зкачеввя (поля пробоя), дрейфующие электроны с высокой энергией выбивают валевтпые электроны в таким образом умножают свое количество Для реальных диодов пробой может наступить при напряжениях в диапазоне 5 — 500 В или более. Для того чтобы образовалась лавина, электрон или дырка за длину свободного пробега Л под действием поля должны приобрести достаточно энергии. Лавинный пробой имеет место, когда поле в переходе достигнет критического значения Ет, т. е. такого, чтобы х8.
яр б р д д~9~ пряженность электрического поля определяется уравнением (2.17): 2 М Д7 (2. 27) 'се ( А + ~о) где приложенное напряжение К отрицательно для обратного смещения. Отбросив малое напряжение Гв в уравнении (2.27) и приравняв Ещоя из уравнения (2.27) к Ет, в уравнении (2.26), получим ~ в ' Ед 1 (Д7А Жо) — ~2.дзЛ ~ (жА+170) Значение длины свободного пробега Л у 81 и Се при комнатной температуре равно 10 ~ см. Из уравнения (2.28) видно, что напряжение лавинного пробоя велико для полупроводников с широкой запрещенной зоной. Это уравнение можно применять для расчета напряжения лавинного пробоя р-и-перехода.
Зеперовский пробой Высокая напряженность электрического поля в узкой области обеднения может инициировать пробой посредством прямого разрыва ковалентных связей. Этот процесс не требует столкновений электронов. Сильное электрическое поле действует с большой силой на электроны связи, они отрываются от ковзлентных связей. Создаются новые пары электрон- дырка, способные увеличить обратный ток при работе диода в области пробоя. Было установлено, что для зенеровского пробоя требуется напряженность электриче- / ского поля 2 х 10т В м 1.
В сильнолегированных п- и р-областях поле с такой напряженностью можно создать при обратных напряже- рг ниах ниже 6 В, поскольку область обеднения У очень узкая. Таким образом,лавинный пробой более веРоятен у переходов, образованных слаболегиРованными и- и р-областями, в то время как зенеровский пробой — в переходах, образован- рмс. з.зт. Вольт-анкерная ньпс сильнолегированными областями.
характеристика (ндеальнал) стабнлнтрона нрн обратном Пробой перехода можно применять для стабили смещении. Ул — напряженке зации напряжения в электронных схемах. стабнлнащнщ Применяя подходяпще материалы и примеси, ~важно специально сконструировать диод, чтобы начало пробоя было очень точным и резким, а напряжение пробоя — вполне определенным (Рис 2-21). Диоды, имеющие такие характеристики, называют стабили~ронами, независимо от типа пробоя — зенеровский или лавинный. ~~~60 Глава 2, р-и-переход Запомните, что стабилитроны работают только в режиме обратного смещения и приложенное обратное напряжение должно быть вьппе, чем напряжение стабилизации Ух.
На рис. 2.22, а показана простая схема, демонстрирующая способность стабилитрона стабилизировать напряжение. Пусть напряжение источника Уз = У1 (> Ух), напишем уравнение для напряжений схемы, приведенной на рис. 2.22, ш (2.29) У1 =12Ф+ Уг. Теперь, если напряжение У увеличится до Уз (> Уя), имеем: У2 = 122)т+ 12. (2.30) Обратимся к рис.
2.22, б. При изменении приложенного напряжения источника от У1 до Уз ток через стабилитрон меняется от 121 до 122 и соответственно меняется падение напряжения на резисторе )с (см. рис. 2.22, а), как показывают уравнения (2.29) и (2.30), но падение на диоде остается постоянным и фиксированным на уровне Ух. Стабилитроны широко применятся для обеспечения в схемах фиксированного опорного напряжения. Применение их в стабилизаторах напряжения — зто только один из примеров. Стабилитроны выпускаются на напряжения пробоя от 4 до 500 В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
