Полупроводниковые диоды (стр. 4 из 6)
(1.4)Динамическое сопротивление может быть определено графически как котангенс угла между касательной в рассматриваемой точке ВАХ и осью абсцисс (штриховая линия на рисунке 1.4. с углом наклона β):
(1.5)где DU и DI – конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки;
ти и mI – масштабы осей напряжения и тока.
Статическое сопротивление (Rст) численно равно отношению напряжения на элементе U к протекающему через него току I. Это сопротивление равно котангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:
(1.6)В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение RСТ может быть меньше, равно или больше значения rд. Однако RСТ всегда положительно, в то время как rд может быть и отрицательным, как, например, в случае туннельного диода.
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 nобласти кристалла полупроводника, который был рассмотрен выше. По существу, к р - и nобластям 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.