Реферат: Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы

Реферат

Полупроводниковые приборы

1. Полупроводниковые диоды

Диод - это электропреобразовательный полупроводниковый прибор (ПП) с одним электрическим переходом и двумя выводами. Устройство полупроводникового диода схематически показано на рис.1. База Б и эмиттер Э с помощью базового БЭ и эмиттерного ЭЭ электродов, обеспечивающих омические контакты с n- и p- областями, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается во внешнюю цепь.

По назначению и характеру использования в схемах диоды подразделяются на выпрямительные, стабилитроны, импульсные, варикапы и т.д. Каждый вид полупроводниковых диодов определяется своими классификационными параметрами.

1.1 Вольт-амперная характеристика диода

Теоретические ВАХ n-p-перехода и полупроводникового диода показаны на рис.1.2 (кривая 1-ВАХ перехода, кривая 2 - ВАХ диода). Как видно из рисунка, эти характеристики несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы r_б, которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков Ом. Падение напряжения на сопротивлении r_б становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов.

Рис 1.2 ВАХ диода

В результате напряжение непосредственно на n-p-переходе будет

меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением

I_пр=I₀(e^(U_пр^-I_пр^r)/φ-1)=I₀(e^U_пр^/mφ-1) , (1.1)

где I₀ - тепловой обратный ток перехода; φ - термический потенциал; m - поправочный коэффициент; U_пр - напряжение, приложенное к выводам; r - суммарное сопротивление базы и электродов диода.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I₀. Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации I_тг. С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет, и ток I_тг также увеличивается.

Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки I_у. В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый I_обр, определяется как сумма токов:

I_обр=I₀+I_тг+I_у (1.2)

Влияние температуры на ВАХ диода. С изменением температуры несколько меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ диода. При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных носителей в кристалле полупроводника, и поэтому растет обратный ток перехода. Это вызвано увеличением двух составляющих тока I₀ и I_тг, изменяющихся по законам:

I₀(T)=I₀(T₀)e^{a ∆T} , I_тг(T)= I_тг(T₀)e^{b ∆T}. (1.3)

Здесь I₀(T₀)и I_тг(T₀) - токи при температуре T₀ ; ∆ Т = Т- T₀; для кремния а - 0,09 K^-1 и b=0,07 K^-1.

Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и становится более крутой. Это объясняется ростом I_обр (1.2) и уменьшением r_б, что, в свою очередь, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении на внешних выводах.

Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН) γ_T=∆U/∆T , показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1°С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до +60 °С γ_T ≈ -2,3 мВ/°С.

1.2 Основные типы диодов

Выпрямительные диоды. Выпрямительные диоды - самые распространенные полупроводниковые диоды, применяемые в выпрямителях - устройствах, преобразующих переменный ток промышленной частоты в постоянный. В выпрямительных диодах используются переходы с большой площадью для пропускания больших токов.

Кремниевые выпрямительные диоды работают в диапазоне температур от -60 до +125°С. Предельный электрический режим диодов характеризуется максимальным обратным напряжением U_{обр. max} максимальным прямым током I_выпр (или средним выпрямленным током). Эти параметры являются классификационными. Отечественной промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих допустимые U_обр для одного диода, то диоды соединяют последовательно.

Для увеличения выпрямительного тока может применяться параллельное включение диодов.

Стабилитроны. Предназначены для использования в схемах, обеспечивающих стабилизацию напряжений.

Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок в области электрического пробоя. ВАХ кремниевого стабилитрона показана на рис.1.3. Максимальный ток I_max ограничивается лишь мощностью P_max , рассеиваемой переходом. Эта мощность приводится в справочных данных ( I_max=P_max/U_ст , где U_ст - напряжение стабилизации). У современных стабилитронов величина максимального тока лежит в пределах от нескольких миллиампер до нескольких ампер. Превышение этой величины ведет к выходу диода из строя из-за теплового пробоя.

Минимальный ток стабилизации у разных типов стабилитронов обычно составляет доли - единицы миллиампер. Напряжение стабилизации t/_CT для серийных диодов находится в пределах от единиц до нескольких сотен вольт. Основным классификационным параметром стабилитронов является напряжение стабилизации. В диапазоне рабочих токов задается также максимальная величина дифференциального сопротивления диода (сопротивление прибора переменному току в рабочей точке). Обычно это сопротивление не превышает нескольких десятков ом. Если стабилитрон используется в схеме прецизионного стабилизатора, то для него важным классификационным параметром является температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН= который показывает, как меняется относительная величина напряжения стабилизации при изменении температуры на 1°С. У выпускаемых приборов ТКН не превышает ±0,1%/°С. Величина и знак ТКН зависят от напряжения стабилизации (рис.1.4): для напряжений, меньших 5 В и соответствующих узким переходам, в которых преобладает туннельный пробой, ТКН отрицателен; для напряжений, больших 5 В и соответствующих широким переходам, в которых имеет место лавинный пробой, ТКН положителен. Для компенсации температурного дрейфа напряжения прибегают к различным методам. Например, для стабилитронов с положительным ТКН используют последовательное подключение прямосмещенного n-p - перехода, у которого ТКН отрицателен. Среднее значение ТКН такого прибора не превышает нескольких тысячных долей в широком диапазоне температур.

Варикапы. Зависимость емкости n-p -перехода от обратного напряжения используется в полупроводниковых диодах, называемых варикапами. Для варикапов характерна малая инерционность процесса изменения емкости. Они используются в колебательных контурах для частотной модуляции и автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях и других устройствах. Благодаря малому обратному току потери в переходе несущественны, поэтому добротность емкости варикапа оказывается высокой. Добротность оценивается отношением реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь диода на заданной частоте и зависит от частоты. Основной характеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика (рис. 1.5).

Важнейшим параметром варикапа является коэффициент перекрытия по емкости Кс = C_в1/ С_в2 , где С_в1 и С_в2 - емкости варикапа при заданных значениях обратного напряжения U_обр1 и U_обр2 .Вольт-фарадная характеристика варикапа нелинейна. Для ряда современных варикапов коэффициент перекрытия по емкости может достигать десятков единиц при изменении обратного напряжения от десятых долей вольта до десяти - двадцати вольт.

Основными классификационными параметрами варикапов являются: емкость С_в.н при номинальном обратном напряжении U_обр.н, коэффициент перекрытия по емкости, минимальная добротность на заданной частоте и максимально допустимое обратное напряжение.

Высокочастотные диоды. Рассмотренные ранее выпрямительные диоды, как правило, применяются в схемах, в которых частота подводимого к диоду напряжения не превышает нескольких килогерц. Самые современные выпрямительные диоды с барьером Шотки работают на частотах порядка сотен килогерц - единиц мегагерц. Однако в целом ряде устройств требуются полупроводниковые диоды, рабочая частота которых должна достигать единиц и даже десятков гигагерц. Такие, диоды называются высокочастотными.

В высокочастотных диодах часто используют точечную конструкцию, в которой n-p -переход образован контактом металлической иглы с полупроводниковым кристаллом. Площадь контакта - менее 50 мкм², поэтому емкость перехода мала. Для точечных диодов характерны меньшие допустимые величины обратных напряжений, чем у ранее рассмотренных диодов. Особенностями ВАХ диода точечной конструкции являются отсутствие ярко выраженного горизонтального участка на обратной ветви и плавный переход в режим пробоя. Основными классификационными параметрами являются прямой ток при заданном напряжении, как правило, равном 1 В, и допустимое обратное напряжение. Предельные электрические параметры - это максимальный прямой ток через диод I_пр.max максимальное обратное напряжение U_обр..max .

Переключающие диоды. В ряде электронных схем полупроводниковый диод должен работать в режиме переключения, т.е. в одни периоды времени он оказывается смещенным в прямом направлении, а в другие - в обратном. В первом случае сопротивление диода мало, во втором - велико. В идеальном случае переключение из одного состояния в другое должно происходить мгновенно. Реально время перехода из одного состояния в другое имеет определенную величину.

Рассмотрим причины, ограничивающие быстродействие переключающих диодов. Пусть в схеме (рис. 1.6а) входное напряжение имеет прямоугольную форму (рис.1.6б). При U_вх=U₁ >0 диод открывается, и на протяжении временя t₀ через него протекает прямой ток i_пр= (рис. 1.6в). При этом в базе накапливается заряд инжектированных в нее неосновных носителей. Когда входное напряжение скачком изменяется от U₁ до U₂, сопротивление диода вначале оказывается небольшим, поскольку в базе существует заряд. При этом обратный ток имеет величину, равную i_{обр. max}=  .

С течением времени накопленный заряд уменьшается за счет протекания обратного тока и рекомбинации носителей. При этом увеличивается обратное сопротивление, а обратный ток уменьшается до установившегося значения I_обр.

Быстродействие переключающих диодов характеризуется временем t_y установления прямого напряжения на диоде, которое зависит от скорости диффузии инжектированных в базу неосновных носителей, и временем t_B восстановления обратного сопротивления. За время восстановления принимается время, прошедшее с момента подачи на диод обратного напряжения (смены полярности входного напряжения), до момента времени, когда обратный ток достигает определенного заданного значения. В качестве заданного в некоторых случаях берут значение обратного тока, равное 0,1 i_np, а в некоторых - 0,1 i_{обр. max} •

Характер изменения обратного тока во времени показан на рис.1.6в. Время восстановления можно разбить на два интервала - t₁ и t₂. В интервале t₁ обратный ток почти не уменьшается, так как концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода остается неравновесной. В конце интервала времени t₁ концентрация на границе становится равновесной, и начинается быстрое уменьшение обратного тока и рост обратного сопротивления диода.

Основными классификационными параметрами переключающих диодов являются: максимальное прямое импульсное сопротивление R_имп.max равное отношению максимального импульсного прямого напряжения на диоде к импульсному прямому току I_пр.имп; время восстановления обратного сопротивления, емкость при заданном обратном напряжении. У современных переключающих диодов t_B составляет 10 + 100 нс и менее.

Диоды Шотки. В диодах этого типа используется контакт Шотки (контакт металл - полупроводник). Инжекция неосновных носителей в базу отсутствует, так как прямой ток образуется электронами, движущимися из кремния в металл. Накопление заряда в базе диода не происходит, и поэтому время переключения диода может быть существенно уменьшено (до значений порядка 100 пс).

Другой важной особенностью диодов Шотки является меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением обычного n-p -перехода при тех же токах. Это объясняется тем, что тепловой ток I₀, у перехода с барьером Шотки примерно на три порядка превышает ток n-p -перехода. Причиной этого является движение электронов в металл из полупроводника, происходящее с тепловой скоростью, существенно превышающей диффузионную. Диоды Шотки используются в комбинации с транзисторами для работы в переключающих схемах. Мощные диоды Шотки с прямыми токами до десятков ампер и обратными напряжениями до сотен вольт применяются в выпрямителях переменного тока.

Фотодиод (ФД) представляет собой диод с открытым p-n-переходом. Световой поток, падающий на открытый p-n-переход приводит к появлению в одной из областей дополнительных не основных носителей зарядов, в результате чего увеличивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется формулой

 (1.4)

где  - фототок,

- интегральная чувствительность,

Ф - световой поток.

Вольт-амперные характеристики ФД приведены на рис. 1.7 а, а его схематичное изображение - на рис.1.7 б

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах: 1) короткого замыкания и 2)холостого хода. В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде равен фототоку, т. е.