Материал: Електронно-дірковий перехід

Вольт-амперна характеристика р- n- переходу

Теоретична вольт-амперна характеристика (ВАХ) р- n- переходу є залежність струму, що протікає через перехід від величини та полярності прикладеної напруги:

ВАХ не є прямою лінією. Вона має пряму та зворотну гілки. Як для прямої, так й для зворотної гілки теоретична ВАХ визначається виразом

I = I0[exp(U /? Т )-1],

де I0 - зворотний струм насичення; - тепловий потенціал; U - напруга, що прикладена до переходу; k = 1,38 10-23 Дж/Кл - стала Больцмана; Т - абсолютна температура, оK. При Т = 300оK значення Т 0,025 В.

Теоретична та реальна ВАХ р- n- переходу показані на рис. 4.

При прямій напрузі UПР > 0,1 B можна знехтувати одиницею (е4 ? 54), тому пряма гілка ВАХ (гілка І ) описується виразом

.

Як тільки позитивна пряма напруга досягне величини Uпр = цк, запірні властивості р-n-переходу зникають і струм швидко зростає.

Величина цк залежить від матеріалу напівпровідника і його температури. Для германію вона становить 0,3 - 0,4 В, для кремнію - 0,6 - 0,8 В.

При зворотній напрузі Uзв < 0, експоненціальний член в рівнянні стає малим (е-4 ? 0,02) порівняно з одиницею, і зворотна гілка ВАХ описується виразом Ізв = - І0.

У реальних р-n -переходах при підвищенні зворотної напруги Uзв зворотний струм Ізв не залишається сталим, рівним струмові насичення І0, а повільно зростає. Однією з причин цього зростання є зростання швидкості руху неосновних носіїв заряду через перехід, товщина якого теж зростає. При Uзв = Uп швидкість рухомих носіїв така, що їх енергії вистачає для виникнення в матеріалі ударної іонізації - вибивання додаткових носіїв заряду. Внаслідок цього відбувається лавиноподібний зріст зворотного струму ( ділянка ІІ) і в наступному, як наслідок, пробої переходу ( ділянка ІІІ). Розрізняють три види пробою: тунельний, лавинний і тепловий.

Тунельний пробій відбувається у високолегованого (при дуже високої концентрації домішок) напівпровідника з вузьким ( 0,01 мкм ) р-n -переходом.

Основою лавинного пробою, що відбувається в низьколегованих напівпровідниках, є розмноження носіїв у сильному електрополі в межах широкого р-n-переходу внаслідок ударної іонізації атомів напівпровідника швидкими носіями заряду.

Тунельний та лавинний електричні пробої не призводять до руйнування структури р-n -переходу і відносять к оборотним пробоям, тобто після зняття Uзв властивості р-n -переходу відновляються. Для деяких типів напівпровідникових діодів ( стабілітронів ) лавинний пробій є основним режимом роботи.

Тепловий пробій виникає під час проходження зворотного струму від попереднього тунельного або лавинного пробою. Струм різко зростає, гріє перехід, а з підвищенням температури збільшується кількість носіїв заряду, що знову підвищує струм у переході і сприяє його подальшому розігріванню. Процес закінчується розплавленням ділянки переходу і безповоротним виходом його з ладу. Якщо тепловий пробій настає внаслідок перегрівання переходу від недостатніх умов тепловідведення, то стадії лавинного або тунельного пробою не є обов'язковими.

РАЗНОВИДИ НАПІВПРОВІДНІКОВИХ ДІОДІВ

Конструкція та призначення напівпровідникових діодів

Напівпровідниковий діод - це прилад з одним p-n-переходом, що утворюється при контакті двох областей напівпровідника з різними типами провідності: діркової та електронної.

Структура діода та його схематичне позначення наведені на рис. 1.

а б

Рис. 2.1. Структура діода (а) та його схематичне позначення (б)

Ділянку напівпровідника з великим опором (+) називають базою ( або анодом ), прошарок з малим опором (-) - емітером ( або катодом ). Для з'єднання зовнішніх виводів з кристалом напівпровідника застосовують омічні контакти, в яких зв'язок між напругою і струмом визначається законом Ома. Контакт металу з напівпровідником виявляється омічним (не утворює потенційного бар'єра), якщо робота виходу електрона з металу менша, ніж з напівпровідника. В цьому випадку електрони вільно переходять з металу в напівпровідник і назад.

На практиці знаходять застосування точкові, площинні, сплавні і дифузійні діоди.

Точковий діод утворюється у місці контакту невеликої пластини напівпровідника і вістря металевого дроту -- пружини. Тому лінійні розміри переходу менше його ширини. Для більш надійного контакту через перехід пропускають імпульс струму в декілька ампер, що вплавляє вістря металу в напівпровідник. Завдяки малій площі діоди мають невеликі прямі струми, дуже малу ємністю переходу і використовуються до частот у кілька сотень мегагерц.

Площинні сплавні діоди мають площинний електричний перехід, лінійні розміри якого, що визначають його площу, значно більше ширини p-n-переходу. Перехід у таких діодах може виконуватися методом сплавлення напівпровідникової пластини з металом. Матеріал нагрівають до температури, що достатня для того, щоб частина напівпровідника розчинилася в отриманому розплаві. При наступному охолодженні відбувається рекристалізація початкового напівпровідника з домішкою вплавленого металу і утворюється р-n-перехід.

Дифузійні діоди виготовляються за допомогою дифузії у напівпровідникову пластину домішки, яка знаходиться в газоподібній, рідинній або твердій фазах.

Дифузійні діоди відрізняються від сплавних меншою ємністю і більшою швидкодією.

За функціональним призначенням діоди поділяють на випрямні, стабілітрони, тунельні, варикапи, високочастотні (універсальні), імпульсні, перемикаючі, фото-діоди, світлодіоди, та інші.

Розглянемо деякі типи діодів, які широко застосовуються на практиці.

Рис. 2.2. Вольт-амперні характеристики германієвого (а), кремнієвого (б) діодів та їх умовне позначення (в).

Випрямні діоди використовують вентильні властивості p-n-переходу і їх застосовують як випрямлячі змінного струму низької частоти в постійний. Для виготовлення випрямних діодів використовують германій, кремній і арсенід галію.

На рис. 2.2. показані вольт-амперні характеристики германієвого (а), кремнієвого (б) діодів та їх умовне позначення (в).

Германієві випрямні діоди можуть бути використані при температурах, що не перевищують 70-80 °С, кремнієві -- до 120-150°С, арсенід-галієві -- до 250°С. Переваги кремнієвих діодів: малі зворотні струми, більший температурний діапазон, більші допустимі зворотні напруги. Перевага германієвих - малі падіння напруги при прямих струмах. Арсенід-галієві діоди крім значних робочих температур, мають кращі частотні властивості ( 1 МГц і више ).

Дія випрямних діодів базується на використанні вентильних властивостей р-n-переходу. Випрямний діод являє собою електронний ключ, який керується прикладеною до нього напругою. При прямій напрузі ключ замкнений (відкритий), при зворотній -- вимкнутий (закритий). У відкритому стані випрямний діод має малий опір і дозволяє пропускати в навантаження великі струми.

Вентильний елемент - діод VD ввімкнено послідовно з навантаженням RH і вторинною обмоткою трансформатора. Струм ІН у навантажувальному резисторі з'являється лише в ті півперіоди напруги U2, коли вентиль VD відкритий. Напруга на навантаженні буде нижче вхідної на величину спаду напруги U на відкритому діоді.

Основними параметрами випрямних діодів, що характеризують їх роботу у випрямних схемах, є: максимально допустимий прямий струм Іпр.max через діод у прямому напрямку; максимально допустима зворотна напруга Uзв.max, яка не призводить до виходу приладу з ладу за визначених умов; прямий струм Іпр при 1..2В на переході; зворотний струм діода Ізв при напрузі Uзв.max. Випрямні діоди вибирають за параметрами Іпр.max, Uзв.max та за потужністю.

Стабілітрон - це напівпровідниковий діод, в якому використовується режим електричного пробою p-n- переходу при включенні діода в зворотному напрямку. Стабілітрони виготовляють з кремнію. На рис. 2.4 показані вольт-амперна характеристика напівпровідникового стабілітрона (а) і його умовне позначення (б).

Схему однопівперіодного випрямляча наведено на рис. 2.3, а.

б)

Рис. 2.3. Схема однопівперіодного випрямляча (а) і його часові діаграми (б)

Робочою ділянкою стабілітрона є зворотна гілка ВАХ. На ній точками А та В показані границі робочої ділянки. Як видно з рис.2.4, при підвищенні зворотної напруги відбувається різке зростання зворотного струму при майже незмінному рівні зворотної напруги. Це і дозволяє використовувати його як стабілізатор напруги. Якщо зворотний струм через стабілітрон не перевищує значення Іст max , то електричний пробій не переходить у тепловий і діод не псується.

Стабілітрони характеризуються наступними параметрами:

- напругою стабiлiзацiї Uст значенням напруги на стабілітроні при протіканні заданого струму стабiлiзацiї Iст;

• - допустимим відхиленням напруги стабілізації вiд номінального значення, яке визначається при нормальному струмі стабiлiзацiї i виражається абсолютним значенням або відносним [];
• - максимально допустимою потужністю розсіювання Рmax, при якій забезпечується задана надійність;
• - мінімально допустимим струмом стабілізації Іст min; при струмах, менших Іст min, пробій стає нестійким i не забезпечується задана надійність роботи;

- максимально допустимим струмом стабiлiзацiї , при якому забезпечується задана надійність; величина цього струму визначається максимально допустимою потужністю розсіювання Рmax;

- диференціальним опором , тобто відношенням приросту напруги стабiлiзацiї до приросту струму;

- температурним коефіцієнтом напруги стабiлiзацiї (ТКН) бст , який визначається відношенням відносної зміни напруги стабiлiзацiї () до абсолютної зміни температури оточуючого середовища (Тоточ) при незмінному струмі стабiлiзацiї

.

На базі стабілітронів будують стабілізатори напруги.

Включення стабілітронів у схему стабілізації вихідної напруги показано на рис. 2.5

Рис. 2.5. Схема параметричного стабілізатора напруги

Стабілітрон підключають паралельно навантаженню Rн, а в загальне коло включають обмежуючий резистор RБ, який є функціонально необхідним елементом. При збільшенні вхідної напруги збільшується струм через стабілітрон і резистор RБ (Rн = const), напруга на стабілітроні і навантаженні Uн = Uст = Uвих залишається незмінною, а надлишок вхідної напруги виділяється на RБ. Із зміною опору Rн струм, що протікає через опір RБ, залишається незмінним, але змінюється розподіл струмів між стабілітроном і навантаженням, а напруга Uвих , як і раніше зберегається незмінною.