14-04-2020-ЭЛЕКТРОНИКА-1.1-ГЛАЗАЧЕВ (1171923), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Определяется это механизмом пробоя – тепловым пробоем, происходящим при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в месте пробоя.Перечисленные особенности кремниевых и германиевых выпрямительных диодов связаны сразличием ширины запрещенной зоны исходных полупроводников. Из такого сопоставления видно,что выпрямительные диоды с большей шириной запрещенной зоны обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах.
Одним из таких представителей является арсенид галлия.В настоящее время, выпускаемые промышленностью арсенид-галлиевые выпрямительные диодыеще далеки от оптимально возможных. К примеру, диод типа АД112А имеет максимально допустимыйпрямой ток 300 мА при прямом напряжении 3 В. Большая величина прямого напряжения является31А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1.
Конспект лекцийнедостатком всех выпрямительных диодов, p–n-переходы которых сформированы в материале с широкой запрещенной зоной. Максимально допустимое обратное напряжение для данного диода –50 В. Это объясняется, вероятнее всего, тем, что в области p–n-перехода имеется большая концентрациядефектов из-за несовершенства технологии.Достоинствами арсенид-галлиевых выпрямительных диодов являются большой диапазон рабочихтемператур и лучшие частотные свойства. Верхний предел рабочих температур для диодов АД112А составляет 250 С . Арсенид-галлиевые диоды АД110А могут работать в выпрямителях малой мощности дочастоты 1 МГц, что обеспечивается малым временем жизни носителей заряда в этом материале.Выводы:1.
С повышением температуры обратный ток у германиевых выпрямительных диодов резковозрастает за счет роста теплового тока.2. У кремниевых диодов тепловой ток очень мал, и поэтому они могут работать при более высоких температурах и с меньшим обратным током, чем германиевые диоды.3. Кремниевые диоды могут работать при значительно больших обратных напряжениях, чемгерманиевые диоды. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение у кремниевых диодов увеличивается с повышением температуры до максимального значения, в то время как у германиевых диодов резко падает.4.
Вследствие указанных преимуществ в настоящее время выпрямительные диоды в основномизготавливают на основе кремния.2.3. Импульсные диодыИмпульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходныхпроцессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения наобратное через короткие промежутки времени, порядка долей микросекунды, при этом важную рольиграют здесь переходные процессы.
Основное назначение импульсных диодов – работа в качествекоммутирующих элементов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокомууровню инжекции, т.е. относительно большим прямым токам. Вследствие этого свойства и параметрыимпульсных диодов определяются переходными процессами.Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода (рис. 2.11). Точечныйдиод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в видетонкой проволоки и стеклянного баллона.Особенностью точечных диодов является612большое сопротивление базы, что приводит к увеличению прямого напряжения надиоде.В связи с недостатками точечныхдиодовони практически полностью вы3547теснены импульсными диодами, произРис.
2.11. Конструкция импульсного диода:водство которых основано на современ1 – кристалл полупроводника; 2 – кристаллодержатель; 3 – припой;4 – контактная пружина; 5 – стеклянный корпус; 6 – коваровая трубка;ных производительных и контролируе7 – внешние выводымых методах формирования p–nпереходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания). Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда арсенид галлия.Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах и для уменьшения значения времени восстановления обратного сопротивления этих диодов в исходный кремний вводятпримесь золота. Эта примесь обеспечивает появление в запрещенной зоне кремния энергетическихуровней рекомбинационных ловушек и уменьшение времени жизни неосновных носителей.В настоящее время большинство конструкций имеет металлокерамический, металлостеклянныйили металлический корпус с ленточными выводами.Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса (рис.
2.12).32А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийПри прямом напряжении на участке 0t1происходит инжекция носителей из эмиттерной облаU прсти в базовую и их накопление там. При смене полярности напряжения на обратную в первый моментвеличина обратного тока будет значительна, ааt1tобратное сопротивление диода резко уменьшится,так как накопленные в базе неосновные носители подU обрдействием изменившегося направления напряженности электрического поля начнут двигаться в сторонуI прp–n-перехода, образуя импульс обратного тока. Помере перехода их в эмиттерную область, их количеI0ство уменьшится и через некоторое время обратныйбток достигнет нормального установившегося значеtния, а сопротивление диода в обратном направлениивосстановится до нормальной величины.Процесс уменьшения накопленного заряда вtвос обрI обрбазе называется рассасыванием, а время, в течениекоторого обратный ток изменяется от максимальноРис.
2.12. Переходные процессы в импульсном диодего значения до установившегося, называется временем восстановления обратного сопротивления tвос обр . Время восстановления обратного сопротивления – один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем оно меньше, тем диод лучше. Дляулучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым временем жизниносителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам p–n-переход делаютс малой площадью, чтобы снизить величину барьерной ёмкости перехода Cбар .Выводы:1.
Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа.2. Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из одного состояния в другое.3. Основным параметром, характеризующим быстродействие импульсных диодов являетсявремя восстановления обратного сопротивления.4. Для уменьшения tвос обр используют специальные меры, ускоряющие процесс рассасываниянеосновных носителей заряда в базе.5.
Требованиям, предъявляемым к импульсным диодам, хорошо удовлетворяют диоды на основе барьера Шоттки, которые имеют очень малую инерционность благодаря отсутствию инжекции инакопления неосновных носителей заряда в базе.2.4. Туннельные диодыТуннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, вкотором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямомнапряжении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.Для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой концентрацией примесей ( 1018 1020См-3), вследствие чего получается малая толщина p–n-перехода (около 102 мкм), что на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах, исквозь тонкий потенциальный барьер возможно туннелирование свободных носителей заряда.На рис.
2.13 представлена вольт-амперная характеристика типичного туннельного диода припрямом смещении.Параметрами туннельных диодов являются (рис. 2.14, а):1. Пиковый ток I п – значение прямого тока в точке максимума вольт-амперной характеристики;2. Ток впадины I в – значение прямого тока в точке минимума вольт-амперной характеристики;33А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекций3.
Отношение токовIпр, мАбвых1,20,80,400,10,20,3а(длятуннельных диодов из GaAs отношеIп 10 ,ниедлягерманиеIв2,01,6IпIв0,4 Uпр, ВвРис. 2.13. Туннельный диод 1И104:а – вольт-амперная характеристика при прямом смещении;б – конструктивное исполнение; в – условное графическое изображениетуннельных диодовIп 3 6 );Iв4. Напряжение пика U п – значение прямого напряжения, соответствующее пиковому току;5. Напряжение впадины U в –значение прямого напряжения, соответствующее току впадины;6. Напряжение раствора U рр –значение прямого напряжения на второй восходящей ветви, при котором токравен пиковому току.Работа туннельногодиодаиллюстрируется диаI ПРграммами, изображеннымиI ПР maxвена рис. 2.14.ЕПpIПpВ равновесном состояU=0ЕВpнии системы уровень ФермигбЕFЕFпостоянен для обеих областейполупроводниковогоЕПnдnU ПР maxIВдиода, поэтому другие энерЕВnагетические уровни искривUПU В U РР U ПРжляются настолько сильно, чтобанижняя граница дна зоныЕПpЕПpпроводимости области nppUбтипа оказывается ниже верхЕFЕВpЕВpUПЕней границы потолка валентFЕFЕFЕПnной зоны области p-типа, иЕПnnnтак как переход очень узкий,ЕВnЕВnто носители заряда могутвгпереходить из одной областиЕПpЕПpЕFв другую без изменения своppЕFЕВpЕЕВpПnей энергии, просачиватьсяUгn UВЕFЕсквозь потенциальный барьЕПnFЕВnnер,т.е.туннелироватьЕВnде(рис.
2.14, б).ЕПpВ состоянии равноpЕFвесияпотокиносителей изЕВpЕПpоднойобластив другуюЕFpЕПnUдодинаковы, поэтому реn UРРЕВpЕFзультирующий ток равенЕFЕПnЕВnнулю. Под воздействиемnвнешнего поля энергетичеЕВnжзская диаграмма изменится.Рис. 2.14. Зонные энергетические диаграммы,При подключении прямогопоясняющие особенности вольт-амперной характеристики туннельного диоданапряжения уровень Фер34А.В. Глазачев, В.П.
Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийми и положение энергетических зон сместится относительно равновесного состояния в сторонууменьшения потенциального барьера и при этом степень перекрытия между потолком валентнойзоны материала p-типа и дном зоны проводимости материала n-типа уменьшится (рис. 2.14, в). Приэтом в зоне проводимости материала n-типа уровни, заполненные электронами (ниже уровня Ферми) окажутся против незаполненных уровней в валентной зоне материала p-типа, что приведет к появлению тока, обусловленного большим количеством электронов, переходящих из п-области в робласть. Максимальное значение этого тока будет тогда, когда уровень Ферми материала п-типа ипотолок валентной зоны материала р-типа будут совпадать (рис.
2.14, г). При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельное перемещение электронов из п-области в р-область начнет убывать (рис. 2.14, д), так как количество их уменьшается по мере уменьшения степени перекрытиямежду дном зоны проводимости материала п-типа и потолком валентной зоны материала р-типа. Вточке, где эти уровни совпадают, прямой ток р–п-перехода достигнет минимального значения (рис.2.14, е), а затем, когда туннельные переходы электронов станут невозможны (рис.
2.14, ж), носителизаряда будут преодолевать потенциальный барьер за счет диффузии и прямой ток начнет возрастать,как у обычных диодов.При подаче на туннельный диод обратного напряжения потенциальный барьер возрастает, иэнергетическая диаграмма будет иметь вид, показанный на (рис. 2.14, з). Так как количество электронов с энергией выше уровня Ферми незначительно, то обратный ток р–п-перехода в этом случае будетвозрастать в основном за счет электронов, туннелирующих из р-области в п-область, причем, поскольку концентрация электронов в глубине валентной зоны р-области велика, то даже небольшое увеличение обратного напряжения и связанное с этим незначительное смещение энергетических уровней,приведет к существенному росту обратного тока.Рассмотренные процессы позволяют сделать вывод, что туннельные диоды одинаково хорошопроводят ток при любой полярности приложенного напряжения, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
