14-04-2020-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ-ПРИБОРЫ-И-УСТРОЙСТВА-ВЕЛИЧКО (1171919), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В зависимости от площади переходазначение барьерной емкости может быть от единиц до сотен пикофарад.Особенность этой емкости состоит в том, что она нелинейна, т. е.изменяется при изменении напряжения при переходе. Если обратноенапряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается ибарьерная емкость уменьшается. Характер этой зависимости показываетграфик на рис.4.19. Под влиянием обратного напряжения барьернаяемкость изменяется в несколько раз.Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока,так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотахпроходит переменный ток (рис.4.17).Рис.4.17.
Шунтирование p-n - перехода барьерной емкостью на высокихчастотахОднако барьерная емкость бывает и полезной. Специальные диоды(варикапы) используют как конденсаторы переменной емкости длянастройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работакоторых основана на свойствах нелинейной емкости. В отличие отобычных конденсаторов переменной емкости, в которых емкостьизменяют механическим путем, в варикапах это изменеие достигаетсярегулировкой обратного напряжения.
Такую настройку колебательныхконтуров называют электронной настройкой.Диффузионная емкостьПри прямом напряжении диод, кроме барьерной емкости, обладает такназываемой диффузионной емкостью, которая также нелинейна ивозрастает при увеличении прямого напряжения. Диффузионнаяемкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- иp-областях при прямом напряжении на переходе.
Она практическисуществует только при прямом напряжении, когда носители заряда вбольшом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженныйпотенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются вn- и p-областях (рис. 4.18).5960Диффузионная емкость будет тем больше, чем больше ток через p-n переход и чем больше время жизни неосновных носителей в базе.Диффузионная емкость значительно больше барьерной (~ 1000 пФ),но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малымпрямым сопротивлением самого диода.Принципиальное отличие диффузионной емкости от барьернойсостоит в том, что разнополярные заряды пространственно неразделены.Вольт-фарадные характеристики барьерной и диффузионной емкостейпредставлены на рис.4.19.Рис.4.18. Образование объемных зарядов за счет диффузии носителейТак, например, если в некотором диоде p-область является эмиттером,а n-область - базой, то при подаче прямого напряжения из p-области в nобласть через переход устремляется большое число дырок и,следовательно, в n-области появляется положительный заряд.Одновременно под действием источника прямого напряжения изпровода внешней цепи в n-область входят электроны и в этой областивозникает отрицательный заряд.
Дырки и электроны в n-области немогут мгновенно рекомбинировать. Поэтому каждому значениюпрямого напряжения соответствует определенное значение двухравновесных разноименных зарядов +Qдиф и -Qдиф, накопленных в nобласти за счет диффузии носителей заряда. Диффузионная емкостьопределяется соотношением следующего вида:defС диф dQниж.dQпр(4.6)С увеличением прямого напряжения ток растет быстрее, чемнапряжение, так как вольт-амперная характеристика для прямого токанелинейна; поэтому Qдиф растет быстрее, прямое напряжение идиффузионная емкость увеличивается.Рис.4.19. Вольт-фарадная характеристика p-n - переходаПоскольку при прямом смещении p-n - переход сужается, барьернаяемкость растет.
Однако в этом случае она оказывается менеесущественной, чем диффузионная.Частотные характеристики барьерной и диффузионной емкостей p-n перехода представлены на рис.4.20.6162Рис.4.21. Эквивалентная схема p-n - перехода при малом сигнале (нанизких частотах)Рис.4.20. Частотные характеристики барьерной и диффузионнойемкостей p-n - переходаКак видно из графика, диффузионная емкость является частотнозависимой. На высоких частотах, когда период сигналов гораздоменьше времени жизни носителей заряда, диффузионная емкостьуменьшается. Т.
к. с ростом частоты носители не успеваютрекомбинировать, объемный заряд +Qдиф повышается, а инжекцияносителей уменьшается, что приводит к уменьшению приращенияносителей заряда dQ. В следствие этого диффузионная емкостьуменьшается.Эквивалентные схемы p-n – переходаПри анализе и синтезе устройств, содержащих полупроводниковыедиоды, может быть использована модель p-n - перехода, состоящая изпассивных элементов.Рис.4.22.
Эквивалентная схема p-n - перехода при малом сигнале (навысоких и сверхвысоких частотах)2. Большой сигнал [модель - нелинейная]При большом сигнале может применяться модель, представленная нарис.4.23.1. Малый сигнал [модель - линейная]При малом переменном сигнале, когда амплитуда входногонапряжения меньше контактной разности потенциалов p-n - перехода,может применяться модель представленная на рис.4.21, рис.4.22.Рис.4.23. Эквивалентная схема p-n - перехода при большом сигнале63Приведенная эквивалентная схема в различных частных случаяхможет быть упрощена.64дополнительную энергию, достаточную для образования новыхэлектронно-дырочных пар носителей заряда посредством ударнойионизации атомов полупроводника (рис.4.25).Пробои p-n – переходаОбратное напряжение, приложенное к диоду, обычно падает навыпрямляющем электрическом переходе диода.
При больших дляконкретного диода обратных напряжениях происходит пробойвыпрямляющего электрического перехода. Пробой - это явление резкогоувеличения тока через переход при достижении обратным напряжениемкритического значения. В зависимости от физических явлений,приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный и тепловойпробои (рис.4.24).Рис.4.25. Механизм ударной ионизацииРис.4.24. Виды пробоя p-n - переходаСвободный электрон (или дырка), разгоняясь под действием большойнапряженности электрического поля, может приобрести на длинесвободного пробега дополнительную энергию, достаточную дляионизации примеси или собственного атома полупроводника.Ионизацию могут вызывать и дырки, так как движение дырок являетсялишь способом описания движения совокупности электронов валентнойзоны полупроводника.Параметром диода, характеризующим явление пробоя еговыпрямляющего перехода, является напряжение пробоя (рис.4.26).Принципиальное отличие электрического пробоя от теплового состоитв том, что он является обратимым.
Тепловой пробой - необратим(происходит разрушение структуры перехода).Лавинный пробойЛавинный пробой выпрямляющего электрического перехода - этопробой, вызванный лавинным размножением носителей заряда поддействием сильного электрического поля. Лавинное размножениеносителей заряда происходит в результате того, что они, проходя черезвыпрямляющий переход при обратном напряжении, приобретают всильном электрическом поле на длине свободного пробегаРис.4.26. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики p-n - переходапри лавинном пробое для различных температур6566Смещение характеристик под действием температуры объясняетсяследующим образом. Если температура возрастает, то увеличиваетсяполе тепловых колебаний атомов, а следовательно длина свободногопробега носителей заряда уменьшается, что приводит к уменьшениюкинетической энергии носителей. В результате напряжение пробоявозрастает.Т - Lсв - Wk - UпробДанное смещение характеризуется параметром, который называетсятемпературным коэффициентом напряжения пробоя.ТКUпроб = dUпроб/dT(4.7)При лавинном пробое данный коэффициент имеет отрицательноезначение ТКUпроб < 0.Данный вид пробоя характерен для переходов с большой ширинойобедненной зоны .Туннельный пробойТуннельным пробоем p-n - перехода называют электрический пробойперехода, вызванный квантово-механическим туннелированиемносителей заряда сквозь запрещенную зону полупроводника безизменения их энергии (рис.
4.27). Туннелирование электроноввозможно при условии, если толщина потенциального барьера ,который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. Приодной и той же ширине запрещенной зоны (для одного и того жематериала)толщинапотенциальногобарьераопределяетсянапряженностью электрического поля, т. е.
наклоном энергетическихуровней и зон. Следовательно, условия для туннелирования возникаюттолько при определенной напряженности электрического поля или приопределенном напряжении на p-n - переходе - при пробивном значении.Рис.4.27. Механизм туннельного эффектаВероятность перехода электронов из валентной зоны в зонупроводимости и, наоборот, из зоны проводимости в валентную зонуодна и та же. Но переход электронов из валентной зоны преобладает,поскольку их там значительно больше, чем в зоне проводимости.Поэтому концентрация носителей заряда растет при туннелировании.Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит отнапряженности электрического поля, то внешне туннельный эффектпроявляется как пробой диода (рис.4.28).Рис.4.28. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики p-n - переходапри туннельном пробое для различных температур6768Смещение характеристик можно объяснить следующим образом.
Еслитемпература возрастает, ширина запрещенной зоны полупроводникауменьшается. В результате чего ширина обедненной подвижныминосителями зарядами области p-n - перехода сужается, и вероятностьтуннельного эффекта возрастает. Следствием этого являетсяуменьшение напряжения пробоя.Таким образом, в диоде возникает внутренняя положительнаяобратная связь, которая и может привести к появлению тепловогопробоя и участка отрицательного дифференциального сопротивления навольт-амперной характеристике p-n - перехода (рис.4.29).
Участокотрицательного дифференциального сопротивления объясняется тем,что с ростом температуры сопротивление перехода уменьшаетсябыстрее чем возрастает обратный ток.Т - W3 -- Ртун.эф - UпробПри туннельном пробое ТКUпроб < 0.Тепловой пробойТепловой пробой диода - это пробой, развитие которого обусловленовыделением в p-n - переходе теплоты вследствие прохождения токачерез него. При подаче на диод обратного напряжения практически всеоно падает на p-n - переходе, через который идет, хотя и небольшой,обратный ток.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
