И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной иолизачии. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышенном напряжения. При некотором значении обратного напряжения возникает пробой п — р-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается.

Следует различать электрический и тепловой пробой п — р-перехода. Электрический пробой, области которого соответствует на рис. 3.2 участок АБВ характеристики, является обратимым, т. е. прн этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Специальные диоды для стабилизации напряжения — полупроводниковые стабилитроны — работают на участке БВ характеристики.

Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу; лавинпый и >пунпельный. Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации н за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для п — р-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в 39 полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт. Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта.

Сущность последнего состоит в том, что прн поле напряженностью более 10б В/см, действующем в л — р-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Более подробно туннельный эффект рассматривается в гл. 8. Области теплового пробоя соответствует на рис. 3.2 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте л — р-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима л — р-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению. 3.2. ЕМКОСТЬ В 3 2.3 говорилось о том, что л — р-переход при обратном напряжении и,бр аналогичен конденсатору со значительным током утечки в диэлектрике.

Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +)баба И вЂ” Д„б„, СОЗдаННЫЕ ИОНИЗИрО- ванными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому п — р-переход обладает емкостью, подобной конденсатору с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью. При постоянном напряжении она определяется отношением Сб = ы бр/исбр (3.4) 40 а при переменном напряжении— Сб = ЬД„бр/Ли,бн (3.5) Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади л — р-перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя.

Несмотря на то что у диодов небольшой мощности площадь перехода мала, емкость Сб весьма заметна за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у германия а = 16). В зависимости от площади перехода значение Сб может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенность барьерной емкости состоит в том, что она нелинейна, т.

е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается и емкость Сб уменьшается. Характер этой зависимости показывает график на рис. 3.3. Как видно, под влиянием напряжения и„бр емкость С, изменяется в несколько раз. 20 )О О -бП -ЗО -го-ГО О Рис. 3.3.

Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Однако барьерная емкость бывает и полезной. Специальные диоды (вари- капы и варакторы) используют как конденсаторы переменной емкости для настройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на свойствах нелинейной емкости. В отличие от обычных конденсаторов переменной емкости, в которых емкость изменяют механическим путем, в варикапах зто изменение достигается регулировкой обратного напряжения.

Такую настройку колебательных контуров называют электронной настройкой. При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью С, ф, которая также нелинейна и возрастает при увеличении и,к Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в и- и р-областях при прямом напряжении на переходе.

Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев' рекомбинировать, накапливаются в пи р-областях. Так, например, если в некотором диоде р-область является эмиттером, а и-область — базой, то при подаче прямого напряжения из р-области в и-область через переход устремляется большое число дырок ' и, следовательно, в и-области появляется положительный заряд. Одновременно под действием источника прямого напряжения иэ провода внешней цепи в и-область входят электроны и в этой области возникает отрицательный заряд.

Дырки и электроны в и-области не могут мгновенно рекомбинировать. Поэтомукаждому значению прямого напряжения соответствует определенное значение двух равных разноименных зарядов +Д,ф и — Д,„ф,накопленных в и-области за счет диффузии носителей через переход.

Емкость С,яз, как обычно, представляет собой отношение заряда к разности потенциалов: при постоянном напряжении Сяяф Дд~ф/ит (3.6) при переменном напряжении С „ф = ЛД „ф/Ли„к (3.7) С увеличением и„р прямой ток растет быстрее, чем напряжение, так как вольт- ' Потоком электронов пз и-областп в р-область в данном случае можно пренебречь, так как п„.к Рк амперная характеристика для прямого тока нелинейиа; поэтому 1еь,ф растет быстрее, чем и„м и С „ф увеличивается. Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его эквивалентную схему для переменного тока (рис. 3.4,а). Сопротивление Яс в этой схеме представляет собой суммарное, а йс Ямя " ия — — — Ль- — — — 1 Рпс. 3.4.

Полная и упрошеппые эквивалент- ные схемы полупроводникового диода сравнительно небольшое сопротивление и- и р-областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление Я„, при прямом напряжении равно К„м т. е. невелико, а при обратном напряжении Я„, = Яьс,„т. е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в, различных частных случаях может быть упрощена.

На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и можно емкость не учитывать. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления Рхс и Рх„, (рис. 3.4, б), 41 а при обратном напряжении — только сопротивление В,а„ так как Ве « Я,вр (рис. 3.4, в). На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис.

3.4,г (если частота не очень высокая, то С ве практически не влияет), а при обратном остаются Я,ар и Се (рис. 3.4,д). Следует иметь в виду, что существует еще емкость С, между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Она показана на рисунке штрихами. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов. Рис. 3.5.

Влияние температуры на вольт- алзперную характеристику диода 3.3. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВОЙСТВА На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливаегся генерация пар носителей заряда, т. е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. Поэтому свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. Это наглядно показывают вольтамперные характеристики, снятые при различной температуре. На рис.

3.5 они представлены для германиевого диода. Как видно, при повышении температуры прямой и обратный токи растут. Очень резко увеличивается обратный ток, что объясняется усилением генерации пар носителей. У германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10'С, Это можно выразить следующей формулой: 1 ~ щ. 2( -гоше (3 8) Следовательно, если температура поднялась с 20 до 70'С, то ток (,ер увеличивается в 2', т. е. в 32 раза.

Характеристики

Список файлов книги