Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 35
Текст из файла (страница 35)
1 =-ФД ! т„+т, (3.7) При работе диода в области больших токов начальный участок вольт-амперной характеристики практически сливается с осью абсцисс, и на характеристике появляется характерный «пьедестал» (рис. 3.3). Наличие «пьедестала» отнюдь не означает отсутствие тока. Просто этот ток настолько мал, что его невозможно показать при малом значении прямого напряжения. Если диод работает в области больших токов, то вольт-амперную характеристику обычно аппроксимируют отрезками прямых линий.
Для этого проводят касательную к характеристике, которая отсекает на оси напряжений отрезок и,„и называемый пороговым напряжением. Тогда аппроксимированная характеристика описывается уравнением 1тв Глава 3. Полупроводниковые диоды В кремниевых диодах отношение — в 19з раза больше, чем в германиевых, по- скольку значения и, в этих диодах различаются примерно на три порядка. Поэто- му током генерации в германиевых диодах обычно пренебрегают. Влияние температуры Температура влияет как на прямой, так и на обратный токи.
Рассмотрим сначала влияние температуры на тепловой ток з„определяемый уравнением (3.2) Учтем, что концентрация неосновных носителей заряда определяется уравнени- ем (3.5): з р = — ' п ь а концентрация п, определяется уравнением (1.39) бЕз и, .=Х,ехр —. 2пТ Следовательно, при некоторой исходной температуре Т, тепловой ток будет равен -ЬЕ з (То) = ТооехР з )зт, (3.9) Здесь Т =-ь75 ' ~У. Т„Ж При повышении температуры на величину ьзТ тепловой ток становится равным (о(То+оТ)=(иехР, з ЦТ, +дт)' Этот ток связан с исходным током ссютношением зо (То + ГзТ) = зо (То ) ехр — з озТ.
йТо' При увеличении обратного напряжения увеличивается ширина р-я-перехода ьз, поэтому возрастают ток генерации з„„и ток утечки з, что ведет к увеличению обратного тока. Для сравнения тока генерации с тепловым током запишем отношение этих токов, полагая т„= г, и используя (3.3) и (3.5): ЛЛ'р 2п,Х, 179 3.2.
Вольт-ампериая характеристика диода Это соотношение можно записать в более компактном виде: з;,(Тз + ЬТ) = з (Тз)ехр аЬТ. (3.10) Здесь а = —. АЕз 1 ТО Численное значение коэффициента а можно получить, подставив численные значения оЕ„я, Т,. Для кремния а= 0,14 К ', для германия а = 0,09 К '. На практике температурную зависимость теплового тока принято оценивать темпералзуря1 удвоения Т,', то есть приращением температуры, вызывающим увеличение тока в два раза. Для определения температуры удвоения надо в формуле (3.10) принять зз(Тз + Ь7) = 2зз(Тз), а ЬТ = Т„и решить относительно Т,: *яТ,' Т = — '1п 2.
о з При Т, = 300 К температура удвоения для кремния равна Т,' 5 К, а для герма- ния Т,' 7,5 К. Аналогичным способом определяют температуру удвоения тока генерации. За- висимость этого тока от температуры более слабая, так как в соответствии с (3.7) он пропорционален ль а тепловой ток пропорционален л,'.
Поэтому уравнение для тока генерации следует записать в виде -АЕЗ з (Т) = Т ехр — '. а (3.11) Вследствие этого температура удвоения для тока генерации оказывается вдвое больше, чем для теплового тока: 2йТз Т, = — з1п2. АЕз Принимая во внимание, что обратный ток диода состоит из теплового тока и тока генерации, зависимость обратного тока от температуры можно представить в виде зт з,~ (Т)= з (Тз)2т где зм (Т,) — обратный ток при температуре Т;, ~.г (Т) — обратный ток при температуре Т, + ЬТ; Т' — температура удвоения.
В данном случае температура удвоения учитывает как возрастание теплового тока, так н возрастание тока генерации. Для германиевых диодов можно пренебречь током генерации, для кремниевых диодов — тепловым током. Влияние температуры на прямой ток можно определить, используя соотношения (3.1) и (3.9). Если в (3.1.) пренебречь параметром тз и единицей и подставить туда (3.9), получим: 1ВО Глава 3. Полупроводниковые диоды чи дЕз 1= 1, ехр 'вТ (3.13) В рабочем режиме ди всегда меньше ширины запрещенной зоны ЬЕь поэтому по- казатель степени зкспоненты отрицателен, и характеристика при увеличении тем- пературы смещается влево.
Расчеты показывают, что этот сдвиг составляет при- мерно 2 мВ/'С. 3.3. Пробой диода Еср Егр Е„р Ег, Рис. ЗА Для возникновения туннельных переходов необходимо, чтобы напряженность поля в переходе достигла определенной критической величины д . Экспериментально установлено, что для германия 1гч 3,7 10' В/см, для кремния Ж„„° 1,4.106 В/см, что достижимо только в очень узких р-л-переходах, получаемых при высокой концентрации примеси. В несимметричном р-л-переходе при ДГ, » Л~, максимальная напряженность поля определяется уравнением (1.80): = — Ь. ДУк еео Здесь Ь вЂ” ширина р-л-перехода, определяемая уравнением (1.876): Подставляя в эти уравнения вместо Ж „„ критическую напряженность поля Ж„и можно определить напряжение туннельного пробоя: Пробоем диода называют резкое увеличение обратного тока при некотором значении обратного напряжения.
Различают три вида пробоя: лавинный, туннельный и тепловой. Туинеаьиый пробой обусловлен туннельным аффектом, то есть ~просачиваниемь электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. Он наблюдается в том случае, когда при подаче обратного напряжения возникает перекрытие анергетических зон (рис, 3.4), вследствие чего электроны могут переходить из валентной зоны р-области в зону проводимости л-области, 1В1 3.3.
П ооой диода ееойър У 20Мр (3.14) Из (3.14) следует, что напряжение туннельного пробоя обратно пропорционально концентрации примеси. Для определения напряжения пробоя можно пользовать- ся эмпирическими формулами, соответственно, для кремния и германия: и „„=гООр„+73р„ У „„=190р„+94р„. (3.15) где Й вЂ” эмпирический коэффициент, зависящий от материала полупроводника и типа электропроводности базы (для кремния р-типа я = 3, для кремния и-типа я = 5); и„— напряжение лавинного пробоя, при котором М-~ ° . Напряжение лавинного пробоя связано с удельным сопротивлением базы полу- эмпирическим соотношением (3.16) где а и т — эмпирические коэффициенты (для кремния р-тнпа а = 23, т = 0,75, для кремния и-типа а = 86, т = 0,65); р — удельное сопротивление базы, Ом см. Здесь р„, р, — удельные сопротивления и- и р-областей, Ом см.
Туннельный пробой с повышением температуры наступает при более низком обратном напряжении. Объясняется это тем, что с ростом температуры у полупроводников уменьшается ширина запрещенной зоны, соответственно, уменьшается толщина р-и-перехода и возрастает напряженность поля в переходе, что увеличивает вероятность возникновения туннельного пробоя. Лавикный пробой происходит в результате лавинного размножения носителей заряда в р-и-переходе под действием сильного поля.
При высокой напряженности поля подвижные носители заряда на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для ударной ионнзации атомов, под действием которой появляются попые пары носителей заряда. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей заряда в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер, что вызывает лавинный рост обратного тока. При этом обратный ток ограничивается резистором, включенным последовательно с диодом. Интенсивность ударной ионизации оценивают коэффициентом размножения носителей заряда М, который равен отношению числа носителей заряда, покидающих р-п-переход, к числу носителей заряда, вошедших в р-п-переход, В результате ударной ионизации обратный ток становится равным (м, = М(е Зависимость коэффициента М от приложенного к диоду напряжения характеризуют полуэмпирической формулой 1аг Глава 3.
Полупроводниковые диоды Напряжение лавинного пробоя зависит от температуры. С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, в результате уменьшается анергия, которую приобретает носитель заряда на длине свободного пробега в электрическом поле.
Поэтому лавинный пробой наступает при более высоком обратном напряжении. Тепловой пробой обусловлен перегревом р-л-перехода обратным током. Мощность, подводимая к переходу и нагревающая его, определяется обратным напряжением и„и обратным током 1„,: р„= и (3.17) Одновременно с нагревом выделяющееся в переходе тепло передается металли- ческому основанию корпуса, на котором закреплен кристалл. Значение отводи- мой мощности пропорционально разности температур перехода Т„и корпуса Т и обратно пропорционально тепловому сопротивлению Я;. ҄— Т Я, (3.18) Тепловое сопротивление определяет перепад температур Т„и Т, несюходимый для отвода 1 Вт мощности от перехода в окружающую среду. Тепловое сопротив- ление рассчитывают по формуле (3.19) где 1 — теплопроводность материала (для кремния Х = 2,19 Вт/см К, для герма- ния Х = 0,52 Вт/см.К); 8, — толщина теплопроводящего слоя; Ю, — площадь контакта кристалла с металлическим основанием.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
