Полупроводниковые диоды

Падение напряжения на прямой ветви  ВАХ перехода могут быть определены аналитически:

. (1.7)

Диоды. Основные свойства

 

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый  прибор с одним выпрямляющим электрическим  переходом и двумя выводами.

В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный р-п переход, разделяющий р и n области кристалла полупроводника, который был рассмотрен выше. По существу, к р - и n областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус. Поэтому основные характеристики и параметры диода определяются свойствами перехода. Прежде всего, это его выпрямляющие свойства.

Как было указано выше вольтамперная характеристика (ВАХ) диода (рисунок 1.4), в первом приближении, описывается выражением (1.1). Некоторые отличия определяются реальными конструктивно-технологическими особенностями и допущениями, использованными при выводе (1.1). Наиболее заметны расхождения при обратных напряжениях. Обратный ток увеличивается при увеличении обратного напряжения, в то время как из анализа он должен быть практически неизменным. Обуславливается это появлением составляющих, связанных с ростом объема (толщины) p-n перехода и утечками по поверхности диода между его выводами. Соотношение между этими составляющими и током I0, входящим в выражение (1.1), различно у разных приборов и, прежде всего, зависит от типа исходного полупроводникового материала. Так, для германия основную роль играет тепловой ток, а для кремния – картина противоположная. Поэтому, хотя теоретические значения обратного тока I0 германиевых диодов на 7...8 порядков больше, чем для кремниевых, реальные обратные токи отличаются примерно на 3 порядка.

Так как обратные токи невелики, а индивидуальные разбросы могут быть значительными, то в технической документации диода указывают их максимально возможные величины, получаемые при определенных условиях. В дальнейшем, для обозначения обратного тока мы будем использовать обозначение I0, не учитывая его разделение на составляющие. Для сохранения преемственности вычисления прямого тока в выражение (1.2) вводят поправочный коэффициент т:

, (1.8)

который для кремниевых диодов может  принимать значения 2 и выше.

Свойства p-n перехода существенно зависят от температуры окружающей среды. При повышении температуры возрастает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок, т.е. увеличивается концентрация неосновных носителей и собственная проводимость полупроводника, что, прежде всего, сказывается на изменении обратного тока. При увеличении температуры обратный ток увеличивается примерно в 2 раза при изменении температуры (DT) на каждые 100С у германиевых и на каждые 7,50С у кремниевых диодов:

, (1.9)

где обратный ток  измерен при температуре .

Максимально допустимое увеличение обратного  тока определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 … 100°С для германиевых диодов и 150 … 200°С – для кремниевых.

Минимально допустимая температура  диодов лежит в пределах минус (60 … 70) °С.

Прямой ток p-n перехода при нагреве  возрастает не так сильно, как обратный ток. Это объясняется тем, что прямой ток возникает в основном за счет примесной проводимости. Но концентрация носителей, определяемых примесью, от температуры практически не зависит. Температурная зависимость прямой ветви вольтамперной характеристики в соответствии с формулой (1.4) определяется изменениями тока І0 и показателя экспоненты, в который входит температурный потенциал. Увеличение обратного тока приводит к изменению падения напряжения на нем при прохождении прямого тока. Если через германиевый диод протекает постоянный ток, при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2,5 мВ/°С:

. (1.10)

Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от – 1,5 мВ/°С в нормальном режиме до – 2 мВ/°С в режиме микротоков.

При определенном значении обратного  напряжения Uобр = Uпроб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока Iобр, соответствующий электрическому пробою p-n перехода (отрезок АВ рисунка 1.5).

 

Рисунок 1.5. Вольтамперная характеристика диода (стабилитрона)

 

Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-п переходе, либо в результате разогрева перехода в связи с выделением на нем значительной мощности, превышающую возможности теплоотвода. Первый тип пробоя называется электрическим, второй – тепловым. Электрический пробой обратим, т.е. после уменьшения напряжения Uобр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Хотя, если обратный ток при электрическом пробое не ограничить, то он переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Тепловой пробой необратим, так как разрушает p-n переход.

Электрический пробой характерен для  кремниевых диодов. В германиевых диодах при увеличении обратного напряжения тепловой пробой p-n перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного нарастания тока Iобр.

Электрический пробой бывает двух видов. Первый из них возникает в узких переходах, в которых под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера в области р-n перехода (зинеровский, туннельный пробой). Второй – развивается в результате ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой). Сущность этого явления заключается в том, что двигаясь с большей скоростью на участке р-n перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате такой ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые, в свою очередь, разгоняются полем и создают всевозрастающее количество носителей тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через р-n переход.

Тепловой пробой р-n перехода происходит вследствие вырывания валентных  электронов из связей в атомах при  тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока. Увеличение тока, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно.

Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения. Возможность теплового пробоя диода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения Uобр max и температурного диапазона работы. Напряжение пробоя зависит от типа диода и температуры окружающей среды.

Имеются некоторые отличия  и прямой ветви ВАХ реального диода от ВАХ идеального p-n перехода. Нарастание падения напряжения диода при больших токах отступает от экспоненциального и становится более линейным. Это объясняется тем, что становится заметным падение напряжения на омическом объемном сопротивлении полупроводника, из которого сформирован диод.

Значительные различия в обратных токах диодов на основе германия, кремния и соединений галлия (основного полупроводникового материала свето и некоторых сверхвысокочастотных диодов) приводит к существенным различиям в их прямой ветви ВАХ (рисунок 1.6). Прямая ветвь ВАХ германиевых диодов начинается практически из начала координат, кремниевых диодов – расположена значительно правее, и еще больший сдвиг у диодов на основе соединений галлия. Заметные токи у маломощных кремниевых диодов начинаются при прямых напряжениях 0,2...0,5 В, светодиодов – 1,2 … 1,6 В. Можно считать, что у них имеется некоторое пороговое напряжение Uпор (указанных величин), ниже которого прямой ток равен нулю, точнее пренебрежимо мал.

 

Рисунок 1.6. Прямые ветви ВАХ диодов на основе разных полупроводниковых материалов

 

При анализе схем с диодами, несмотря на достаточную простоту ВАХ диода  ее часто еще дополнительно упрощают (идеализируют). Используемые варианты упрощений представлены на рисунке 1.7.

 

Рисунок 1.7. Идеализированные ВАХ диода

 

Наиболее широко используется первая идеализация: обратный ток и падение напряжения на прямосмещенном диоде равны нулю (рисунок 1.7, а). Погрешности идеализации максимальны: для германиевых диодов при обратных напряжениях; для кремниевых – при прямых. Желание учесть пороговое напряжение, увеличение падения при увеличении прямого тока, наличие обратного тока приводят к более сложным видам идеализированных ВАХ (рисунки 1.7, б, в, г).

Частотные свойства диода во многом определяются процессами перезаряда емкостей. Диффузионная емкость может иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад, барьерная - обычно меньшая. Поэтому при прямом напряжений емкость р-п перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной емкостью. Преобразования сигнала с использованием диодов практически происходят при положительных смещающих напряжениях. Поэтому, с точки зрения повышения быстродействия, диод должен изготовляться так, чтобы по возможности ускорить процессы изменения объемного заряда неосновных носителей или вообще исключить их. Последнего можно добиться при использовании так называемого выпрямительного перехода Шотки. Этот переход образован контактом металл – полупроводник. Соответствующим выбором материалов можно добиться того, что высота потенциального барьера для электронов и дырок в месте контакта будет различной. В результате этого (при прямом смещении) прямой ток диода образуется только за счет движения основных носителей заряда. Так, например, при контакте n полупроводника с металлом ток образуется только за счет движения электронов из полупроводника в металл. Таким образом, в полупроводнике не создается объемный заряд неосновных для него носителей, что соответствует отсутствию диффузной емкости. Отсюда вытекает, что диоды, выполненные на основе перехода Шотки (диоды Шотки), обладают большим быстродействием, чем диоды с p-n переходом.

Кроме указанного, диоды Шотки отличаются от диодов с p-n переходом меньшим прямым падением напряжения из-за меньшей высоты потенциального барьера для основных носителей и большей допустимой плотностью тока, что связано с хорошим теплоотводом. Эти преимущества делают предпочтительным использование диодов Шотки при изготовлении мощных высокочастотных выпрямительных диодов.

Следует также отметить, что прямая ветвь вольтамперной характеристики диода Шотки из-за меньшего сопротивления прохождению тока ближе к идеальной.

Классификация диодов представлена в  таблице 1.2, а условные обозначения – на рисунке 1.8. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые на практике.

 

Рисунок 1.8. Условные графические обозначения полупроводниковых приборов: 1 – выпрямительный и импульсный диод; 2 - стабилитрон и стабистор; 3 – симметричный стабилитрон; 4 – варикап; 5 – туннельный диод; 6 – излучающий диод; 7 – фотодиод: 8 – биполярный транзистор p-n р-типа; 9 – биполярный транзистор n p-n типа.

 

Таблица 1.2

Признак классификации	Наименование диода
Площадь перехода	Плоскостной Точечный
Полупроводниковый материал	Германиевый Кремниевый  Арсенид галлиевый
Назначение	Выпрямительный  Импульсный  Сверхвысокочастотный  Стабилитрон (стабистор) Варикап и т.д.
Принцип действия	Туннельный Диод Шотки Излучающий Фотодиод и др.

 

Выпрямительный диод использует вентильные свойства p-n перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных диодов используют в основном германий и кремний.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном – разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения за счет падения напряжения Uпр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения. Значение Uпр открытого диода не превышает для германиевых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

IПР СР MAX – максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;

Iобр. ср – средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном

Uобр доп - допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;

fmax – максимально допустимая частота входного напряжения;

Uпр – прямое падение напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямительные диоды классифицируют также по мощности и частоте.

По мощности: маломощные (Iпр ср max £ 0,3 А); средней мощности (0,3 А< Iпр ср max £ 10 А); большой мощности (Iпр ср max > 10 А).

По частоте: низкочастотные (fmax < 103 Гц); высокочастотные (fmax > 103 Гц).

В качестве выпрямительных применяются  также диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл – полупроводник (диоды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с p-n переходом, напряжение Uпр и более высокие частотные характеристики. Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц – 100 кГц.

Импульсный диод – полупроводниковый  диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий (как и выпрямительный диод) при своей работе прямую и обратную ветви ВАХ при сравнительно больших токах нагрузки.

Длительность переходных процессов  в диоде обусловлена перезарядом  емкостей Сдиф и Сбар. Так как импульсные диоды обычно работают при сравнительно больших прямых токах, то процессы накопления и рассасывания заряда являются превалирующими. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром – временем восстановления τвос его обратного сопротивления. Время восстановления обратного сопротивления tвос – интервал времени от момента переключения до момента, когда обратный ток уменьшается до заданного уровня отсчета Iотс

В качестве импульсных широкое применение находят диоды Шотки.

Сверхвысокочастотный диод (СВЧ  диод) – полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала (до десятков и сотен гигагерц). Сверхвысокочастотные диоды широко применяются в устройствах генерации и усиления электромагнитных колебаний СВЧ диапазона, умножения частоты, модуляции, регулирования и ограничения сигналов и т.п.

Типичными представителями данной группы диодов являются смесительные (получение сигнала суммы или  разности двух частот), детекторные (выделение постоянной составляющей СВЧ сигнала) и переключательные (управление уровнем мощности сверхвысокочастотного сигнала) диоды. Условное графическое обозначение импульсных и СВЧ диодов аналогично обозначению выпрямительных диодов (рис.2.6,1).

Стабилитрон применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Как видно из рисунка 1.5, участок ВАХ диода, соответствующий электрическому пробою, характеризуется значительным изменением тока при практически незначительном изменении падения напряжения на диоде.

Этот участок используют для создания специализированных диодов – стабилитронов, которые, в свою очередь, являются основой так называемых параметрических стабилизаторах напряжения. Стабилитроны изготовляют, как правило, из кремния. При использовании высоколегированного кремния (высокая концентрация примесей, а, следовательно, и свободных носителей заряда) напряжение стабилизации понижается, а с уменьшением степени легирования кремния – повышается.