74232

Полупроводниковые диоды. Характеристики идеального диода на основе pn перехода

Лекция

Физика

В зависимости от внутренней структуры типа количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольтамперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. Характеристики идеального диода на основе pn перехода Основу выпрямительного диода составляет обычный электроннодырочный переход. Как было показано в главе 2 вольтамперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность приведенную на рисунке 4. В прямом смещении ток диода инжекционный большой по величине и представляет собой...

Русский

2014-12-30

1.29 MB

0 чел.

Лекция6    Полупроводниковые диоды

Введение

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольтамперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе pn перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

4.1. Характеристики идеального диода на основе pn перехода

Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Как было показано в главе 2, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке 4.1а, б, и описывается уравнением (4.1). В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

 

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода:

а) вольтамперная характеристика; б) конструкция корпуса

, (4.1)

.

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристичные сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

4.1.1. Выпрямление в диоде

Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе pn перехода является резкая асимметрия вольтамперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке 4.2 приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде.

Рис. 4.2. Схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока с помощью диода [10, 20]

Рассмотрим, каков будет коэффициент выпрямления идеального диода на основе pn перехода. Для этого рассчитаем по уравнению (4.1) коэффициент выпрямления К как отношение прямого тока к обратному току диода при значениях напряжения U = 0,01 В; 0,025 В; 0,1 В; 0,25 В; 1 B. Получаем:

. (4.2)

Учтем, что величина  -1 при комнатной температуре составляет  В. Результаты расчета приведены в таблице.

VG, B

0,01

0,025

0,1

0,25

1

K, отн. ед.

1,0

1,1

55

2,3·104

2,8·1020

Как следует из таблицы и соотношения (4.2), при значениях переменного напряжения, модуль которого VG меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях VG по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения VG =  0,1 В.

4.1.2. Характеристическое сопротивление

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление rD и сопротивление по постоянному току RD.

Дифференциальное сопротивление определяется как

. (4.3)

На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление rD невелико и составляет значение несколько Ом. Действительно, при значении прямого тока диода I = 25 мА и значении теплового потенциала kT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивления rD будет равна rD = 1 Ом. На обратном участке вольтамперной характеристики диода дифференциальное сопротивление rD стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току RD определяется как отношение приложенного напряжения VG к протекающему току I через диод:

. (4.4)

На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление RD > rD, а на обратном участке – меньше RD < rD.

В точке вблизи нулевого значения напряжения VG << kT/q значения сопротивления по постоянному току и дифференциального сопротивления совпадают. Действительно, разложив экспоненту в ряд в соотношении (4.4), получаем:

. (4.5)

Используя характерное значение для обратного тока диода I0 = 25 мкА, получаем величину сопротивления диода в нулевой точке RD0 = rD0 = 1 кОм. На рисунке 4.3а приведена зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении.

4.1.4. Эквивалентная схема диода

С учетом полученных дифференциальных параметров можно построить эквивалентную малосигнальную схему диода для низких частот (рис. 4.3а, б, в). В этом случае наряду с уже описанными элементами – дифференциальным сопротивлением (рис. 4.3а) и емкостями диода (рис. 4.3б) необходимо учесть омическое сопротивление квазинейтрального объема базы (rоб) диода. Сопротивление квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать, поскольку в диодах эмиттер обычно легирован существенно более сильно, чем база.

Рис. 4.3. Приборные характеристики и эквивалентная малосигнальная схема для выпрямительных диодов [23, 24]:

а) зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении; б) зависимость емкости диода ГД402 от обратного напряжения; в) эквивалентная малосигнальная схема диода для низких частот

4.3. Влияние генерации, рекомбинации и объемного сопротивления базы на характеристики реальных диодов

В реальных выпрямительных диодах на основе pn перехода при анализе вольтамперных характеристик необходимо учитывать влияние генерационно-рекомбинационных процессов в обедненной области pn перехода и падение напряжения на омическом сопротивлении базы pn перехода при протекании тока через диод.

При рассмотрении влияния генерационнорекомбинационных процессов в ОПЗ pn перехода будем считать, что доминирующим механизмом генерационно-рекомбинационного процесса является механизм Шокли – Рида. В этом случае для моноэнергетического рекомбинационного уровня, расположенного вблизи середины запрещенной зоны полупроводника, выражение для темпа генерации (рекомбинации) имеет вид:

. (4.6)

Параметры, входящие в соотношение 4.10, имеют следующие значения:

γn, γp – вероятности захвата электронов и дырок на рекомбинационный уровень;

Nt – концентрация рекомбинационных уровней;

n, p – концентрации неравновесных носителей;

n1, p1 – концентрации равновесных носителей в разрешенных зонах при условии, что рекомбинационный уровень совпадает с уровнем Ферми.

Из уравнений 4.6 и 1.20 следует, что при прямом смещении (VG > 0) произведение концентрации неравновесных носителей p·n будет больше, чем произведение концентрации равновесных носителей p1·n1 (p·> p1·n1). Следовательно, правая часть уравнения 4.6 будет положительная, а скорость изменения концентрации неравновесных носителей dn/dt будет отрицательной. Таким образом, концентрация неравновесных носителей будет убывать и рекомбинация будет преобладать над генерацией.

При обратном смещении (VG < 0) соотношения будут обратными, концентрация неравновесных носителей будет возрастать и генерация будет преобладать над рекомбинацией. Рассмотрим более подробно эти процессы.

4.3.1. Влияние генерации неравновесных носителей в ОПЗ p-n перехода на обратный ток диода

При обратном смещении (VG < 0) p-n перехода из соотношения 1.20 следует, что

.

Величина произведения концентрации равновесных носителей p1·n1 будет равна квадрату собственной концентрации: .

В этом случае из уравнения 4.6 следует, что

.

Учтем, что значения концентрации неравновесных носителей p, n будут меньше концентрации равновесных носителей p1 и n1: < p1, < n1, а величины n1 и p1 определяются через объемное положение уровня Ферми 0t следующим образом:

.

Тогда получаем:

, (4.7)

где e – эффективное время жизни неравновесных носителей, определяемое как

. (4.8)

Из соотношения 4.7 следует, что скорость изменения концентрации неравновесных носителей dn/dt будет положительной, следовательно, генерация будет преобладать над рекомбинацией. Для того чтобы рассчитать генерационный ток Jген, необходимо проинтегрировать по ширине области пространственного заряда W:

. (4.9)

Рассмотрим зависимость генерационного тока Jген от обратного напряжения VG, приложенного к диоду, а также от температуры T (рис. 4.5).

Зависимость генерационного тока Jген от напряжения VG будет определяться зависимостью ширины области пространственного заряда W от напряжения VG. Поскольку ширина области пространственного заряда W определяется как , то генерационный ток Jген будет пропорционален корню из напряжения: .

Величина дрейфовой компоненты обратного тока J0 несимметричного p+n перехода равна:

.

Сделаем оценку отношения теплового J0 и генерационного Jген токов для диодов, изготовленных из различных полупроводников:

. (4.10)

Рис. 4.5. Вклад генерационного тока Jген в обратный ток pn перехода

Для германия (Ge) характерны следующие параметры: W = 1 мкм; Ln = 150 мкм, ni = 1013 см-3, ND = 1015 см-3. Подставляя эти величины в соотношение 4.10, получаем, что генерационный ток и тепловой ток одинаковы, Iген ~ Is.

Для кремния (Si) характерны следующие параметры: W = 1 мкм; Ln = 500 мкм, ni = 1010 см-3, ND = 1015 см-3. Подставляя эти величины в соотношение 4.10, получаем, что генерационный ток много больше, чем тепловой ток, Iген / Is ~ 2102.

Таким образом, для кремниевых диодов на основе pn перехода в обратном направлении преобладает генерационный ток, а для германиевых диодов – тепловой ток.

Как следует из уравнения 4.10, соотношения генерационого и теплового токов зависят от собственной концентрации ni. Если собственная концентрация ni мала (широкозонный полупроводник), – преобладает генерационный ток, если значение ni велико (узкозонный полупроводник), – преобладает тепловой ток.

4.3.2. Влияние рекомбинации неравновесных носителей в ОПЗ pn перехода на прямой ток диода

При прямом смещении (VG > 0) pn перехода из соотношения 1.20 следует, что

.

Из уравнений 4.6 и 1.20 следует, что при прямом смещении (VG > 0) произведение концентрации неравновесных носителей p·n будет больше, чем произведение концентрации равновесных носителей p1·n1 (p·> p1·n1).

Полный ток диода при прямом смещении будет складываться из диффузионной и рекомбинационной компонент:

. (4.13)

Из (4.13) следует, что прямой ток диода можно аппроксимировать экспоненциальной зависимостью типа , в случае значения коэффициента n = 1 ток будет диффузионным, при n = 2 – рекомбинационным. На рисунке 4.6 показана зависимость тока диода от напряжения при прямом смещении в логарифмических координатах.

Из приведенных экспериментальных данных для диода следует, что тангенс угла наклона  равен 0,028 В, что с высокой степенью точности соответствует значению kT/q, равному 0,026 В при комнатной температуре.

Рис. 4.6. Зависимость тока диода от напряжения при прямом смещении [2, 23]

4.3.3. Влияние объемного сопротивления базы диода на прямые характеристики

База диода на основе pn перехода обычно легирована существенно меньше, чем эмиттер. В этом случае омическое сопротивление квазинейтральных областей диода будет определяться сопротивлением базы rб, его величина рассчитывается по классической формуле: ,

где  – удельное сопротивление, l – длина базы, S – площадь поперечного сечения диода.

В типичных случаях при  = 1 Омсм, l = 10-1 см, S = 10-2 см2, rб = 10 Ом.

При этом падение напряжения Uб на квазинейтральном объеме базы при протекании тока J будет равно:

. (4.14)

Напряжение, приложенное к ОПЗ pn перехода, в этом случае уменьшится на величину Vб. С учетом (4.14) вольтамперная характеристика диода будет иметь вид:

; (4.15)

Из уравнения (4.15) следует, что по мере роста прямого тока вольт-амперная характеристика pn перехода будет вырождаться, то есть ток будет расти не экспоненциально, а более медленно, и в предельном случае на ВАХ появится омический участок.

Определим критерий вырождения, как состояние диода, при котором дифференциальное сопротивление диода станет равно либо меньше омического сопротивления базы диода:

.

Следовательно, величина прямого тока, при котором наступает вырождение вольтамперной характеристики, будет равна: .

Для параметров диода rб = 10 Ом; Т = 0,025 В ток вырождения будет равен: Iвыр = 2,5 мA.

На рисунке 4.7 показана эквивалентная схема диода, где объемное сопротивление базы диода представлено в виде резистора, последовательно соединенного с идеальным диодом.

Рис. 4.7. Рисунки, иллюстрирующие влияние сопротивления базы на вольт-амперные характеристики диода при прямом смещении [17, 23, 26]:

а) эквивалентная схема диода; б) ВАХ в линейных координатах; в) ВАХ в логарифмических координатах; г) ВАХ диода 2Д925Б при различных температурах

Пунктирная и сплошная линии, описывающие вольт-амперную характеристику, как в линейных, так и полулогарифмических координатах, сдвинуты друг относительно друга по оси напряжений на величину rб·I. Для диода 2Д925Б приведены его характеристики при различных температурах, при этом отчетливо виден линейный участок на ВАХ. Таким образом, у реальных диодов омический участок на ВАХ составляет основную часть характеристики.

4.3.4. Влияние температуры на характеристики диодов

Как уже отмечалось, при прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей (рис. 4.8). Зависимость тока от напряжения определяется соотношением: .

Для несимметричного pn+ перехода NA << ND концентрация неосновных носителей в pобласти существенно выше, чем в nобласти np0 >> pn0. Обратный ток в этом случае обусловлен дрейфовой электронной компонентой , поскольку .

Обратный ток диода в этом случае будет .

Вблизи комнатной температуры Тк при ее небольших отклонениях можно записать: , тогда температурная зависимость тока преобразуется к следующему виду:

. (4.16)

Величина коэффициента для различных полупроводников будет следующей: для германия Ge = 0,09 град-1 до T = 700, для кремния Si = 0,13 град-1 до Т = 1200.

В практических случаях используют понятие температуры удвоения обратного тока диода. Соотношение (4.16) преобразуется к следующей форме, при этом

, (4.17)

где  – температура удвоения тока, величина этой температуры будет равна: T* = 10; 8; 7; 5, при значениях  = 0,07; 0,03; 0,1; 0,13.

Из соотношения (4.17) и значения температуры удвоения тока T* = 10 следует простое правило: обратный ток диода удваивается при увеличении температуры на каждые 10 ºС.

а) при прямом смещении; б) при обратном смещении; в) температурная зависимость прямого тока диода

Рис. 4.8. Вольтамперные характеристики диода ГД107 [23, 25]:

4.6. Переходные процессы в полупроводниковых диодах

При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде на основе обычного pn перехода значение тока через диод, соответствующее статической вольт-амперной характеристике, устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких переключениях обычно называют переходным процессом. Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением неосновных носителей в базе диода при его прямом включении и их рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на динамические свойства диодов в режиме переключения.

Рассмотрим изменения тока I при переключении диода с прямого напряжения U на обратное напряжение. На рисунке 4.20 показаны эпюры изменения напряжения и тока на диоде.

Рис. 4.20. Эпюры изменения напряжения и тока при переключении диода:

а) напряжение; б) ток

В стационарном случае величина тока в диоде описывается уравнением . После завершения переходных процессов величина тока в диоде будет равна J0.

Рассмотрим кинетику переходного процесса, то есть изменение тока pn перехода при переключении с прямого напряжения на обратное. При прямом смещении диода на основе несимметричного pn перехода происходит инжекция неравновесных дырок в базу диода.

Изменение во времени и пространстве неравновесных инжектированных дырок в базе описывается уравнением непрерывности:

. (4.25)

В момент времени t = 0 распределение инжектированных носителей в базе определяется из диффузионного уравнения и имеет вид:

. (4.26)

Из общих положений ясно, что в момент переключения напряжения в диоде с прямого на обратное величина обратного тока будет существенно больше, чем тепловой ток диода. Это произойдет потому, что обратный ток диода обусловлен дрейфовой компонентой тока, а ее величина в свою очередь определяется концентрацией неосновных носителей. Эта концентрация значительно увеличена в базе диода за счет инжекции дырок из эмиттера и описывается в начальный момент уравнением (4.26).

С течением времени концентрация неравновесных носителей будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток. За время t2, называемое временем восстановления обратного сопротивления или временем рассасывания, обратный ток придет к значению, равному тепловому току.

Для описания кинетики этого процесса запишем граничные и начальные условия для уравнения (4.25) в следующем виде.

В момент времени t = 0 справедливо уравнение (4.26). При установлении стационарного состояния в момент времени  стационарное распределение неравновесных носителей в базе описывается соотношением: .

Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе области пространственного заряда pn перехода:

. (4.27)

Процедура нахождения кинетики обратного тока следующая. Учитывая граничные условия, решается уравнение (4.25) и находится зависимость концентрации неравновесных носителей в базе p(x,t) от времени и координаты. На рисунке 4.21 приведены координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени.

Рис. 4.21. Координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени [28, 15]

В момент t = 0 величина обратного тока будет бесконечно большой. Физическим ограничением для этого тока будет служить максимальный ток, который может протекать через омическое сопротивление базы диода rБ при обратном напряжении U. Величина этого тока, называемого током среза Jср, равна: Jср = U/rБ.

Рис. 4.22. Зависимость обратного тока от времени при переключении диода

Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза.

Для импульсных диодов время среза τср и время восстановления τв обратного сопротивления диода являются важными параметрами. Для уменьшения их значения существуют несколько способов. Во-первых, можно уменьшать время жизни неравновесных носителей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных центров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители рекомбинировали на тыльной стороне базы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54065. Конспект логопедичного заняття: «Хто де живе?» 45.5 KB
  Виховання доброзичливості бажання бути справедливим; Корекційно навчальна: Формувати у дітей навички зв’язного мовлення: учити складати розповідь за малюнком за запитанням оцінювати розповіді товаришів; управляти в уживанні іменників – назв приміщень певного призначення складати речення з прийменниками в по у біля поруч; учити давати відповідь на запитання використовуючи прислівники; Хід заняття 1 Організаційний момент Створення емоційного позитивного настрою на занятті Хто де живе Логопед кидає дітям м’яч і починає...
54066. Конспект логопедичного заняття: Зелене царство 82 KB
  Бесіда Рослини поруч з нами Уточнення та розширення словника по темі Логопед. Який світ навколо нас Логопед допомагає дітям дібрати та повторити словаознаки: світ великий красивий багатий яскравий. Логопед.
54067. Интегрированное занятие для детей старшей логопедической группы « А мы идем, шагаем по Земле» 51 KB
  Дерево трава цветок и птица Не всегда умеют защититься Если будут уничтожены они На планете мы останемся одни Приглашаю всех вас в гости Спит девочка. Лучик танцует и нежно будит девочку ДЕВОЧКА: просыпаясь и потягиваясь Доброе утро Какое оно прекрасное Лучику Ой Кто ты ЛУЧИК: Я – Лучик Солнца золотой Пришел к тебе с небес...
54068. Дидактичні матеріали до логопедичних занять з теми «Диференціація свистячих і шиплячих». Розрізнення дж-дз 125 KB
  Насупилось небо, плаче хмаринка. А поле сміється щасливо і дзвінко, бо сльози хмаринки несуть урожай. Як сльози ці звуться? Ану відгадай.
54069. Дифференциация звуков с – з. Развитие речи по лексической теме «Зима» 63 KB
  Картинки с изображениями Дети катаются на лыжах Дети катаются на санках Дети катаются на коньках Дети лепят снеговика. Дети повторяют движения за логопедом. Дети по очереди прикасаются к большому пальцу остальными пальчиками в ритме стихотворения. Дети лепят снеговика.
54070. Подолання вад звуковимови й звукосприймання 23.89 MB
  Виправлення недоліків звуковимови проводиться у певній послідовності за прийнятою методикою. Під час цих вправ звертається увага на положення язика: корінь спокійний а кінчик язика біля нижніх різців. Вправи для язика: рухи язиком вперед і назад відкритим ротом як котик...
54071. Здоровым и грамотным должен быть каждый! Логопедическая спартакиада 63.5 KB
  Скачет лягушонок Дети хлопают в ладоши Квакваква прыгают на месте Плавает утёнок хлопают в ладоши Крякрякря Ставят руки к груди и разводят в стороны. Прыгает козлёнок Хлопают в ладоши Ме – ме ме Ставят руки на пояс наклоняются вперёд А за ним ягнёнок Хлопают Бе – бе – бе приседают Вот мы на зарядке Хлопают Раз дватри Прыгают на месте Все вокруг стараются Хлопают Спортом занимаются Шагают на месте Эстафета Собери букву По команде: Марш первый учащийся с мячом в руках бежит к обручу. Звуковая разминка...
54072. Логопедичне заняття. Осіння лісова галявина 210.5 KB
  Логопедичне заняття Вид. Виховувати вміння слухати вказівки логопеда. Логопед. Діти а зараз давайте пограємо в гру З якого дерева листочок Логопед показує дітям листочок а діти називають.
54073. Звук "ш". Лісова школа (Старша логопедична група) 1.38 MB
  Формувати в малят уявлення про навчання в школі ознайомити із звуком ш акустичною характеристикою; закріпити вміння ділити слова на склади визначати звук який найчастіше звучить у вірші аналізувати слово з допомогою звукових фішок пригадувати слова зі звуком ш ; узгоджувати числівники з іменниками в орудному відмінку; розвивати фонематичні процеси слуховий контроль. Обладнання: фішки для звукового аналізу шишкикартинки картинки з предметами у множині іграшка Лунтик...