А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 20
Текст из файла (страница 20)
На рис. 4.16 качественно показано распределение концентраций дырок и электронов в р- и и-областях для прямого (сплошные линии) и обратного (пунктир) смешений. Связь между концентрациями по обе стороны перехода р„(0) и п,(0) задается граничными условиями Шокли 7б Глава 4. Нелинейные активные н пассивные элементы Отсюда следует„что при прямом смещении (У > О) концентрации неосновных носителей на границе Р„(0) и и (О) экспоненциально нарастают и уровни инжекяии для дырок и электронов. 7~ р„(0) — р„~ р, р (ехрЛУ вЂ” 1) (4. 7) и» и» и» п„(0) — п,, Ьпо п,(ехр ЛУ вЂ” 1) 7» Ро Ро Ро могут превысить единицу. Этот случай соответствует большому уровню биполярной инжекции.
При обратном смешении (У < О) осуществляется монополярная инжекция и уже при нескольких десятках милливольт граничные концентрации практически обращаются в нуль, уровень инжекции мал, так как Р»/р и п„/и» «1, а обратный ток достигает насыщения. компенсирующие В р — и-переходе при малом уровне биполярной инжекции время установления тока определяется временем жизни неосновных носителей т, или т», которое обычно > 10 ' с.
Это время определяет предельную частоту /„о коэффициента передачи Я,о К о»о —, ! а чР 1 В, ' » Р Рис. 4.16. Распределение концентраций дырок и ное п я е соп отивления ио а по- ное и прямое сопротивления диода по- электронов в неравновесном р — и-переходе стоянному току: /»о < (2хто) Для разных типов серийных приборов с р — и-переходом /„о может лежать в диапазоне 10з — ' 10о Гц Для обратного смешения (монополярная инжекция) время нейтрализации инжектированного заряда равно времени максвелловской релаксации: Е т = — = 10 и + 10 "с, (4.9) и где е — абсолютная диэлектрическая проницаемость (для б], Ое и ОаАз в = 10 и Ф/см), а — удельная проводимость (и < 1О' [Ом см] ').
Время т имеет наглядную интерпретацию. Однородный проводник длиной Ь с удельной проводимостью и и диэлектрической проницаемостью в обладает емкостью С = Ав/Ь и сопротивлением В = Ь/огА. Если к этому образцу подключить источник тока, то время, в течение которого поле в образце достигнет стационарного значения, будет пропорционально постоянной времени ВС = т = в/а. Поскольку т" «т нли т„, то частотные свойства полупроводникового диода для прямого смещения существенно хуже, чем для обратного. ВАХ полупроводникового диода В соответствии с качественным описанием механизма проводимости р — и-перехода ВАХ полупроводникового диода может быть представлена в виде (4.10) Хо — — 1,(ехрЛ(7 — 1), . где 1. — матый обратный ток насыщения.
4.6. Поя проводниковый диод (р-л-переход) Согласно (4.10) и рис. 4.17 ток через диод экспоненциально растет с увеличением прямого смещения и остается практически постоянным при обратном смещении до напряжения пробоя У„,. Пунктиром на рис. 4.17 показана теоретическая зависимость (4.10). Реальный диод всегда обладает сопротивлением потерь Я„складывающимся из сопротивления однородных областей и контактов.
Поэтому низкочастотная эквивалентная схема реального диода соответствует рис. 4.18, где Рис. 4.17. ВАХ р — и-перехода нелинейное сопротивление В; и барьерная емкость С относятся к идеальному диоду без потерь. Отсюда следует, что (7„ = ХХ вЂ” В,Х. Тогда (4.10) принимает вид кТ 1 (Х= — 1п( — + 1)+ЯлХ. е 1, (4. 11) й. Выражению (4.11) соответствует сплошная кривая на рис. 4.17, наклон которой при большом прямом токе асимптотически стремится к дифференциальной проводимости дХХг1гх = В, '. если построить касательную с углом наклона В, ', она пересечет ось напряжений при ХХ = у),. Уравнение этой прямой имеет вид ХХ = у), + Я,1.
рис. 4.18. Эквивалентная схема полу- Дла малых пРЯмых токов диффеРенЦиальнОЕ проводиикового диода сопротивление диода В; согласно (4. 10) определяется только внутренним сопротивлением р — а- перехода д(Х кТ кТ 25 В; = — = — — [Ом]. ИХ е(1+ Х,) е1 1[мА] (4.12) Для кремниевых диодов и диодов из ОаАз последнее соотношение следует несколько изменить: 2кТ 50 Я; — — [Ом]. е1 1[МА] Множитель 2 связан с тем, что для указанных материалов за счет большой ширины запрещенной зоны участок ВАХ при малых прямых смешениях "затягивается" в область больших прямых смещений (так называемая "пятка") — для 81 примерно до ф, = О, 6 В, для ОаАздо чу, > 1В.
Например, при Т = 300 К и 1 = 10мА Я; = 2,50м для Ое и 5Ом для Ей и ОаАз. При обратном смещении напряжение пробоя ХХ„для большинства диодов связано с лавинным размножением носителей в сильном злектричееском поле р — п-перехода, так как прп обратном смещении дырки и электроны движутся в ускоряющем поле (рис. 4.13). Наличие области пробоя позволяет использовать полупроводниковые диоды в качестве стабилитронов (рис.
4.11) в очень широком интеовале напряжений от О, 1 до 1О' В. Инерционные свойства диода в этом режиме определяются постоянной времени Я,С. 78 Глава 4. Нелинейные активные и пассивные элементы Параметрический диод (варикап) В отличие от вакуумного диода, полупроводниковый диод может быть использован не только как элемент с односторонней проводимостью, но и как нелинейная емкость в широком диапазоне частот.
Полупроводниковые диоды, используемые в качестве нелинейной емкости, получили название параметрических диодов, или варикапов. Двойной слой ионизованных примесей в обеднен- И ном слое р — и-перехода на рис. 4.19 обладает статической емкостью. Эта емкость подобна емкости плос- р ФООФ ОО Уе кого конденсатора с расстоянием межзб~ пластинами, ре равным расстоянию между "центрами тяжести*' разно- + + + (3 О+ именных зарядов. Если заряды ионизованных приме- + + + О 9 сей распределены равномерно и "резко" обрываются О О+ на границе раздела между областями р и п, то рас- ОООФ Е стояние между "центрами тяжести" равно ф2.
Тогда и, у величина интегральной емкости будет равна 2Ае С = —. И Заряды ионизованных доноров и акцепторов по обе стороны от центра перехода равны между собой и связаны соотношением до = Ае)Ог,О(, = Ае)уа4. Для СО справедливо также соотношение А СО О)О 2 а ОР,(7' Рис. 4.19. Модель "резкого" р — игде "+" соответствует обратному смещению на пере- перехода, поясняющая приролубаходе, а "—" — прямому, рьерной емкости СО Учитывая очевидное равенство О( = А, + И„из приведенных соотношений легко получить выражения для ширины р — и-перехода и емкости С,: 2е(ОрО ~ (Г) г 3 О(ОО ~ (Г С вЂ” 2еел. ьо где )ОО = " — приведенная концентрация. МО+Ю Для малых переменных сигналов основную роль играет удельная дифференциальная емкость, определяемая как — — — 3 10 ' (пФ/см).
(4.15) Напзпимер, для силовых диодов средней мощности, согласно (4.13) и (4.15), прн А = (1Π—: 10 ') см', ЖО = 10" см ' и обратном смешении (гО = 1О В: О( > 1 мкм, С > 1О пФ. Зависимость барьерной елгкости р — а-перехода от приложенного напряжения позволяет использовать ее в качестве нелинейной емкости в генераторах и усилителях. Прн этом используют только область обратных смещений, когда мал обратный ток и велико сопротивление р — п-перехода. В прямом направлении за счет малого сопротивления В; уменьшается добролОнослОО емкости н возрастает дробовой шум. Реальный частотньш предел примешььюсти параметрических диодов ограничен постоянной времени Я,С.
(4.!4) 4.5. По п оводниковый диод ( -л-пе еход) 79 Диоды Шоттки Существенным недостатком диодов с р-и-переходом является низкий частотный предел применимости при работе в качестве детекторов и относительно невысокое быстродействие в импульсных схемах.
От этого недостатка свободны диоды с контактом металл — лолупроводнлк (диоды Шотгки). Их принципиальное отличие от диодов с р-и- переходом связано с тем, что при любой полярности внешнего сигнала проводимость в них осуществляется только носителями одного знака (монополярная инжекция). Поэтому характерным временем релаксации в диодах Шотгки (ДШ) является время максвелловской релаксации (4.9).
Реальный частотный предел применимости для этих диодов зависит от постоянной времени В,С (рис. 4.18) и составляет около Гйн Гц. В диодах Шотгки термодинамическая работа выхода (рис. 4Л2) из металла Р„и полупроводника Р„могут быть выбраны произвольно, что позволяет осуществлять контакты с различными свойствами. Например, для и-полупроводника при Р„( Р„получается запорный контакт с ВАХ, подобной (4,17), а при Р„> Є— антизапорный, с линейной ВАХ, обеспечивающей омический контакт полупроводника с внешней электрической цепью. Аналогично могут быть подобраны контакты к дырочному полупроводнику. Туннельиый диод (ТД) Туннельный диод представляет собой контакт между двумя вырожденными полупроводниками р+ и и+.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
