Geum.ru

1. Основы полупроводниковой электроники. Контактные явления

Вид материалаДокументы
1.2.4. Емкость p-n-перехода
2. Полупроводниковые диоды: 2.1. Характеристики и параметры.
2.1.2. Характеристики и параметры
Iпр,макс – максимально допустимый постоянный прямой ток; U
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7

1.2.4. Емкость p-n-перехода


Общая емкость p-n-перехода измеряется между выводами кристалла при заданных постоянном напряжении (смещении) и частоте гармонического напряжения, прикладываемых к переходу. Она складывается из барьерной, диффузионной емкостей и емкости корпуса кристалла:

С = Сбар + Сдиф + Скорп

Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Эти объемные заряды неподвижны и не участвуют в процессе протекания тока. Они и создают электрическое поле перехода.

При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда и сам заряд увеличиваются, причем это увеличение происходит непропорционально.

Барьерная емкость определяется как

,

и равна

,

где Sпер – площадь перехода.

Барьерная емкость составляет десятки - сотни пикофарад.

Диффузионная емкость обусловлена изменением величины объемного заряда, вызванного изменением прямого напряжения и инжекцией неосновных носителей в рассматриваемый слой. В результате в n-базе возникает объемный заряд дырок, который практически мгновенно (за несколько наносекунд) компенсируется зарядом собственных подошедших к дыркам электронов. Диффузионную емкость часто выражают как линейную функцию тока, учитывая экспоненциальный характер ВАХ. При этом

,

где - время жизни носителей для толстой базы или среднее время пролета для тонкой базы.



Рис. 1.6

Диффузионная емкость составляет сотни – тысячи пикофарад.

При прямом напряжении на переходе общая емкость определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной. Общий вид зависимости емкости перехода от напряжения на нем показан на рис. 1.6. Эту зависимость называют вольт – фарадной характеристикой перехода.


2. Полупроводниковые диоды:

2.1. Характеристики и параметры.


2.1.1. Общие сведения

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя невыпрямляющими контактами металл-полупроводник. В качестве полупроводникового материала используют германий, кремний, арсенид галлия. Условная структура (а) и общее обозначение (б) полупроводниковых диодов показаны на рис.2.1.



Рис. 2.1

На рисунке показаны направления прямых тока и напряжения. Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. Низкоомную р –область называют эмиттером (или анодом по аналогии с электровакуумными диодами), высокоомную n –область – базой (или катодом). Прямое направление тока - от эмиттера к базе.

Различие в концентрации основных носителей заряда сказывается и на расположении p-n -перехода на границе. Ширина p-n-перехода в эмиттере меньше, чем в базе, т.е. p-n-переход почти целиком располагается в базе.

В зависимости от технологических процессов, использованных при изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, диоды с диффузионной базой, эпитаксиальные, мезадиоды и др.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны, туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна, диоды Шоттки и др.

2.1.2. Характеристики и параметры

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) диода определяет зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения.

ВАХ идеального p-n-перехода определяется соотношением (2.1):



(2.1)

Однако в реальных диодах ВАХ отличаются от (2.1), что объясняется тем, что, во-первых, для разных типов материалов полупроводникового кристалла обратный ток насыщения сильно зависит от температуры; во-вторых, при большом обратном напряжении, при котором измеряется ток насыщения, наблюдается термогенерация носителей непосредственно в области перехода; в-третьих, в реальных диодах наблюдаются поверхностные утечки тока (дополнительные проводимости); в-четвертых, при анализе процессов в p-n -переходе не учитываются ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением rб, приводит к тому, что прямая ветвь диода идет ниже, чем у идеального p-n -перехода.

В реальных диодах необходимо оценивать все эти явления и учитывать, что обратный ток диода складывается из теплового тока, тока термогенерации и тока утечки. В германиевых диодах основную роль играет тепловой ток, который удваивается при увеличении температуры окружающей среды на каждые 7…10оС. Соизмерим с ним и ток утечки, но последний мало зависит от температуры, но зависит от величины обратного напряжения. В кремниевых диодах тепловой ток удваивается на каждые 8…12оС, но он на 6…7 порядков ниже, чем у германиевых диодов. Основными составляющими обратного тока кремниевого диода являются токи термогенерации и утечки, поэтому обратный ток кремниевых диодов отличается от обратного тока германиевых диодов всего на 1,5…2 порядка, и в обоих диодах он не остается постоянным при изменении обратного напряжения, а медленно возрастает при его увеличении.

При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2…10 мА. Кроме того, прямая ветвь ВАХ отклоняется от идеальной из-за наличия токов рекомбинации в p-n-переходе, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей. С учетом падения напряжения на базе уравнение прямой ветви может быть представлено в виде
(2.2)

Обычно напряжение на реальном диоде на доли вольта больше, чем в идеальном.

Для оценки ВАХ реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток Iобр, который измеряют при определенном значении обратного напряжения. В паспортных данных обычно для каждого вида диода указывается максимально допустимое значение обратного тока.

Диоды характеризуются достаточно большим числом параметров. Общими практически для всех типов являются следующие:

Iпр,макс – максимально допустимый постоянный прямой ток;

Uпр – постоянное прямое напряжение, соответствующие заданному току;

Uобр,макс – модуль максимально допустимого обратного напряжения;

Iобр,макс – максимально допустимый постоянный обратный ток;

rдиф – дифференциальное сопротивление диода в заданном режиме работы.