11-04-2020-МГТУ-P-N-ПЕРЕХОД-ВАХ-ВЫПР-ДИОД-ЧАСТЬ2Б (1171913), страница 2
Текст из файла (страница 2)
процессгенерации носителей возрастает лавинообразно.ПРОБОЙ P-N - ПЕРЕХОДА• 2.Туннельныйпробойвозникаетприбольшойнапряженности электрического поля p-n – перехода ( =- В/см). Такая большая напряженностьэлектрического поля имеет место в высоколегированныхполупроводниках (концентрация примесей − всм ). При такой концентрации примесей ширина перехода lсоставляет примерно −см, т.е. оказывается«прозрачной» и становится возможным проникновениечасти электронов зоны проводимости n- области в зонупроводимости p-области полупроводника без затратыэнергии (туннельный эффект). Туннельный эффект являетсяпричиной туннельного пробоя электронно – дырочногоперехода.ПРОБОЙ P-N - ПЕРЕХОДА• Следующий тип пробоя – тепловой.• Тепловой пробой происходит за счет тепловойионизации атомов и сопровождается резкимувеличением тока, протекающего через p-n – переход.• Мощность, выделяемая на переходе, при этомстановится больше мощности рассеяния.
Переход ещебольше нагревается, и, как следствие, увеличиваетсяобратный ток через переход.• Большой нагрев перехода приводит к необратимымизменениямвкристаллическойструктуреполупроводника и выходу p-n – перехода из строя.ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИРЕАЛЬНОГО P-N - ПЕРЕХОДА• Реальнаявольт–ампернаяхарактеристикаполупроводникового диода приведена на рисунке 11.
Наэтом же рисунке для сравнения дана вольт- ампернаяхарактеристика идеального p-n – перехода.• Из сравнения этих двух характеристик видно, что прималых токах идеальные и реальные характеристикипрактически совпадают. Однако при больших прямыхтоках и больших обратных напряжениях реальнаяхарактеристика отклоняется от теоретической. В областибольших прямых токах реальная характеристиканесколько ниже теоретической.Рисунок 11 – ВАХ реального диода••ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИРЕАЛЬНОГО P-N - ПЕРЕХОДА (ДИОДА)• Это вызвано заметным падением напряжения наомическом сопротивлении объема полупроводника(особенно базы) Б и сопротивлении электродов; к p-n –переходу прикладывается не все напряжение, подаваемоена полупроводниковый диод, а только его часть:• − = − IБ ,• где• U – напряжение, приложенное к диоду;ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИРЕАЛЬНОГО P-N - ПЕРЕХОДА (ДИОДА)I Б - падение напряжения на омическом сопротивленииобъемов кристалла и электродов;• − - напряжение, приложенное на p-n переходе.• Уравнение реальной ВАХ имеет вид (смотреть формулу (11)):(−Б )• = − ,(20)• где m - коэффициент формы ( 1 < m < 2 ).• С увеличением прямого напряжения, когда оно станет большеконтактной разности потенциалов , запирающий слой ипотенциальный барьер по обе стороны p-n- переходаисчезнут, а излишек напряжения над равномернораспределится по всей длине полупроводника.•ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНОГО PN - ПЕРЕХОДА (ДИОДА)•Переход из участка с экспоненциальной зависимостью налинейный происходит при сравнительно малых токах, ипоэтому линейный участок составляет основную часть ВАХдиода.•При увеличении обратного напряжения обратный ток не остается постоянным, а медленно растет.
Это связано сдополнительной тепловой генерацией в переходе. Прибольших обратных напряжениях реальная и теоретическаяхарактеристики различаются в связи с явлением пробоя p-n– перехода в реальном случае и в отсутствии этого явленияв идеальной ВАХ.ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНОГО P-N ПЕРЕХОДА (ДИОДА)• Как ранее было показано, p-n – переходы (диоды)изготавливаются в основном из германия и кремния.• На рисунке 12 приведены ВАХ германиевого и кремниевогополупроводниковых выпрямительных диодов.• Из сравнения этих характеристик видно, что при комнатнойтемпературе величина обратного тока кремниевых диодовв раз меньше, чем у германиевых диодов, из-заменьшей собственной проводимости кремния, т.к.• ∆0 > ∆0 (Ge).Рисунок 11 – ВАХ германиевого икремниевого диодов•Рисунок 11 – ВАХ реального диода•ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНОГО PN - ПЕРЕХОДА (ДИОДА)• Одновременно из рисунка видно, что значениенапряжения пробоя пр кремниевых диодов выше, чемпругерманиевых.Поэтомунаиболеераспространенными являются выпрямительные диодыиз кремния.• Одним из существенных недостатков полупроводниковыхвыпрямительных диодов (как и большинства другихвыпрямительных приборов) является зависимость ихпараметров от температуры.ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНОГО P-N ПЕРЕХОДА (ДИОДА)• При повышении температуры• увеличивается генерация пар носителей, т.е.
собственнаяпроводимость полупроводника;• возрастают прямой и обратный токи, причем обратный токрастет гораздо быстрее, чем прямой ток;• и диод теряет свое основное свойство – одностороннююпроводимость.• Установлено, что при увеличении температуры на каждые 10°Собратный ток увеличивается у германиевых диодов в 2 раза, ау кремниевых в 2,5 раза.ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНОГО PN - ПЕРЕХОДА (ДИОДА)• Например,обратный ток в германиевых диодахувеличивается в 22 = 4 раза, а в кремниевых диодах в2,52 =6,25 раза.• Кроме того растет вероятность теплового пробоя диода.• При понижении температуры увеличивается прямое иобратное сопротивление, а также возрастает вероятностьмеханического повреждения кристаллов из – заувеличивающейся их хрупкости.ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНОГО PN - ПЕРЕХОДА (ДИОДА)• Влияние температуры на параметры и характеристикиполупроводниковыхдиодов,изготовленныхизразличных материалов, различно.• Поэтому для диодов существует некоторый интервалдопустимых температур.• Для германиевых диодов этот интервал составляет• - 50° С … +70° С,• а для кремниевых диодов• -60°С … +120°С.ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНОГО PN - ПЕРЕХОДА (ДИОДА)• На рисунках 13 и 14 приведены ВАХ германиевого икремниевогодиодов,снятыеприразличныхтемпературах.• Особенностью характеристик кремниевого диодаявляется увеличение напряжения пробоя прсувеличением температуры.
Это объясняется тем, что сростомтемпературыувеличиваютсятепловыеколебания решетки и уменьшается длина свободногопробега носителей заряда.РИСУНКИ 13, 14 – ВАХ кремниевого и германиевого диодовв зависимости от температуры•ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНОГО PN - ПЕРЕХОДА (ДИОДА)• Энергия, приобретенная неосновным носителем надлине свободного пробега, становится недостаточнойдля пробоя.• Следовательно, явление пробоя может возникнутьлишь в области более высокого обратного(ускоряющего неосновные носители) напряжения.ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ• Односторонняя проводимость p-n перехода позволяетиспользовать его в выпрямительных диодах,предназначенных для выпрямления переменноготока.• Для эффективного выпрямления характеристики ипараметрывыпрямительныхдиодовдолжныоблегчить наибольший выпрямленный ток и большоеобратное напряжение.• Обычнодопустимоеобратноенапряжениесоставляет 75…80% от проб .ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫС целью получения большого прямого токавыпрямительные диоды выполняются с большойплощадью контакта, т.е.
плоскостные.• Большоедопустимоеобратноесопротивлениеобеспечиваетсязасчетбольшогоудельногосопротивленияматериалаполупроводника,т.е.относительно низкой концентрацией примесей.• Например, концентрация примесей в базе германиевогополупроводника n-типа составляет• 1014 … 1016 атомов/ см3 , а концентрация акцепторныхпримесей в эмиттере составляет примерно 1018 атомов/см3 .•ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ• По мощности выпрямительные диоды делятся на трикласса:• малой мощности (доп < 0, 3 Вт);• средней мощности (доп = 0,3 … 10Вт);• большой мощности (доп > 10 Вт).• Выпрямительные диоды и рабочие режимы необходимовыбирать таким образом, чтобы IU ≤ доп ,• где I – ток, протекающий через диод;• U – напряжение , приложенное к диоду;ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ• доп - допустимая мощность, рассеиваемая диодом (значениедоп приводится в справочниках).• Теплоотвод в диоде малой мощности осуществляетсянепосредственно корпусом, в диодах средней мощности специальными устройствами – радиаторами, в которыемонтируется диод, а в мощных диодах используетсяпринудительное воздушное или водяное охлаждение.На рисунке 12 приведены ВАХ выпрямительных диодов.
Из этиххарактеристик видно, что уже при сравнительно малых прямыхнапряжениях (до единиц Вольт) прямой ток достигаетзначительной величины, и чтобы не произошел тепловой пробой,ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ• необходимо ограничить значение тока так, чтобы• пр пр ≤ доп .• Подчеркнем еще раз, что• обратное напряжение не должно превышать 75 …80%напряжения пробоя.• В зависимости от типов диодов обр может составлять отнескольких десятков вольт до нескольких сотен вольт.ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫПолупроводниковые диоды имеют следующие параметры:Дифференциальное или внутреннее сопротивление диф .Это сопротивление является внутренним сопротивлением диода попеременному току:∆диф =≃.∆Геометрически внутреннее сопротивление равно котангесу угла α,образованного касательной к ВАХ в рабочей точке и осьюабсцисс (рисунок 15):диф = ,где m, n – масштабные коэффициенты.ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ• Проведя касательную в рабочей точке 1 (рисунок 15) ВАХдиода, получим ∆АBC. Катеты этого треугольникаявляются отрезками, пропорциональными приращениюнапряжения и тока.• Тогда• диф пр =∆пр∆пр==0,18300∗10−3= 0,6 Ом,• где диф пр - дифференциальное сопротивление диодапри включении в прямом направлении.ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ• Сопротивлениедиодапостоянномутоку(статическоесопротивление• =(21)• Это сопротивление легко определить, подставив в уравнение(21) значения напряжения и тока в рабочей точке (1).• Дифференциальное сопротивление диода, включенного вобратном направлении диф обр в точке 2 примерно равнообратному сопротивлению 0 обр в точке 2 и определяется какотношение напряжения к току в этой точке:ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ• обр =∆обр2≃ 0 обр =∆обр2=-30012∗10−3= 25 кОм.• Иногда выпрямительные свойства полупроводниковоговыпрямительного диода оценивают с помощьюкоэффициента выпрямления:• вып =пробр= обр прпри U = ± 1 В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
