Полупроводниковые нелинейные элементы: полупроводниковые диоды (стр. 1 из 2)

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра электронной техники и технологии

РЕФЕРАТ

на тему

«ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ»

МИНСК, 2008

Диоды - полупроводниковые приборы, которые пропускают ток в одном направлении, а в обратном имеют большое сопротивление.

Рис. 1. Принцип работы р-n перехода:

а) диффузионный и дрейфовый токи через переход; б) графики распределения концентраций носителей заряда в p и n областях (Nnn, Npp - концентрации основных носителей, Nnp, Npn - концентрации неосновных носителей); в) диаграммы потенциала p и n областей. С увеличением температуры растёт концентрация неосновных носителей заряда и уменьшается высота потенциального барьера.

При U_AK = 0 существует баланс диффузионной и дрейфовой составляющих токов через переход

i_диф = i_др = I_S(T)

I_пр = I_обр

I_ = I_пр - I_обр = 0

При прямом смещении р-n - перехода U_AK > 0 появляется прямой ток, определяемый основной диффузионной составляющей

I_пр = i_диф – i_др >0

При U_AK < 0 появляется обратный ток, определяемый дрейфовой состовляющей

I_обр = i_др - i_диф > 0.

Т.к. p-n - переход при обратном смещении закрывается из-за увеличения ширины ОПЗ и i_диф → 0, то I_обр= i_др= I_S(T).

Поскольку диффузионная составляющая тока через p-n - переход хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией вида

i_диф = I_S(T)e^UAK/mUT,

а дрейфовая составляющая описывается как i_др = I_S(T), то исходя из того, что при U_AK > 0

I_пр = i_диф – i_др = I_S(T)e^UAK/mUT - I_S(T)

получим выражение I_пр = I_S(T)(e^UAK/mUT - 1), описывающее прямую ветвь ВАХ диода (рис. 2)

Рис. 2. ВАХ кремниевого диода (штриховой линией показана смещённая ВАХ при увеличении температуры p - n перехода)

Здесь I_S(T) - тепловой ток, определяющий масштаб ВАХ диода. Термин "тепловой" отражает сильную температурную зависимость тока I_S(T), а также тот факт, что он равен нулю при абсолютном нуле температуры. Другим распространённым термином является "обратный ток насыщения", происхождение которого связано с тем, что при отрицательном напряжении

>> mU_Tобратный ток диода равен - I_S(T) и не зависит от U_AK. Обычно для германиевых диодов I_S 1 - 0.1 мкА, а для кремниевых I_S 1 - 0.1 пА.

mU_T - тепловая разность потенциалов, возникающая в области p-n-перехода при нулевом внешнем напряжении и равновесии дифузионного и дрейфового токов, где

;

m = 10.30 - поправочный коэффициент.

Обычно для расчётов равновесного p-n–перехода тепловую разность потенциалов принимают равной mU_T = 300 мВ для Ge-диодов и 600 мв для Si-диодов.

I_S(T) и U_T зависят от Т, что приводит, в общем, к отрицательной температурной зависимости прямого напряжения на диоде U_AKот температуры. Температурный коэффициент прямого напряжения на переходе имеет отрицательное значение:

I_пр = I_О(e(U_AK - aDT)/mU_{T -} 1) .

Смысл последнего выражения заключается в том, что для того, чтобыопределить значение I_пр при увеличении Т, но при этом не вычисляя новое значение I_S(T), которое также должно увеличится, необходимо значение U_AK с учетом отрицательного температурного коэффициента a увеличить на 2 мВ на каждый градус К. Это будет удобно для дальнейших расчетов I_пр, когда при условно принятом I_S(T)=const его значение I_S(T) можно будет сократить в относительных формулах.

Выпрямительные свойства диодов показаны на рис. 3, отображающем элементарную схему однополупериодного выпрямителя переменного напряжения.

Рис. 3. Выпрямление диодом переменного напряжения

Если на анод диода подать переменное напряжение U_вх с амплитудой U_m, тона резисторе нагрузки R_Н будет выделяться выходное напряжение U_вых, соответствующее только одному полупериоду U_вх. Амплитуда положительного полупериода будет равна U_m, а амплитуда отрицательного полупериода будет зависить от I_обр.

Динамический режим работы диодов характеризуются его переключающими свойствами.

Переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, т.к. при этом p-n-переход должен освободиться от инжектированных неосновных носителей ( в p-области - от электронов, и в n-области - от дырок), которые должны рекомбинировать в области объемного заряда и тем самым восстановить потенциальный барьер. Для этого нужно определенное время - время «рассасывания», которое тем больше, чем больше был прямой ток.

Для маломощных диодов

, для мощных диодов эта величина находится в диапозоне микросекунд (5-7 мкс).

Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шоттки с переходом металл-полупроводник.

Диод Шотки.

Принцип действия диода Шотки основан на работе барьерного перехода, возникающего в зоне контакта металл-полупроводник. Свойства этого контакта зависят от отношения работ выхода электрона в металле и полупроводнике. Если А_{вых Ме} > A_{вых п/п}, то в зоне контакта возникает выпрямляющий переход (рис. 5). В этом случае избыток электронов будет в полупроводнике и они, перемещаясь за счёт диффузии в приконтактную область металла, создают обеднённую область в полупроводнике, которая и обладает выпрямляющими свойствами.

Если А_{вых Ме} < A_{вых п/п}, то контакт металл-полупроводник получается не выпрямляющим и он применяется специально для улучшения контакта металла с полупроводником в качестве контактной площадки в ИС.

Рис. 4. Работа диода в импульсном режиме

Рис. 5. Контакт Ме - п/п с выпрямляющими и невыпрямляющими свойствами

Улучшение динамических свойств диода Шоттки объясняется тем, что в обоих областях по разные стороны выпрямляющего контакта Ме-п/п присутствуют основные носители заряда одного типа - электроны и так как инжекции дырок в полупроводник не происходит в прямом направлении, то нечему рассасываться в момент закрытия барьерного перехода, что происходит практически мгновенно (0,1 нс и менее F_раб = 3-15 ГГц).

Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, обладающие большой крутизной обратной ветви ВАХ (рис. 6) в области напряжения лавинного пробоя U_проб.

Рис. 6. Принцип стабилизации напряжения с помощьюполупроводникового стабилитрона

При ограниченном токе пробоя у такого диода наступает эффект стабилизации напряжения, который основан на том, что большое изменение тока DI, протекающего через него, вызывает малое изменение напряжения на нем DU. Стабилизация тем лучше, чем круче идет обратная ветвь ВАХ и, соответственно, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона

Стабилизирующие свойства параметрического стабилизатора на стабилитроне характеризуется коэффициентом стабилизации:

Чтобы не произошёл необратимый тепловой пробой стабилитрона, его ток I_ст ограничивают с помощью ограничительного резистора R_огр :

,

Стабисторы - те же стабилитроны, но используют прямую ветвь ВАХ для стабилизации малых напряжений (U_ст ≈ 0,6 В).

Варикапы - полупроводниковые диоды, используемые в качестве конденсаторов, с управляемой по напряжению ёмкостью. Емкость p-n-перехода диода с увеличением обратного напряжения уменьшается за счет расширения области пространственного заряда p-n-перехода (рис. 7).

При U_AK = 0 на Si-диоде ширина p-n-перехода равна l₀ = 0,6 мкм, на Ge - 0,4 мкм. При увеличении обратного напряжения U_AКувеличивается l₀, а, следовательно, уменьшается С.

Рис. 7. Вольт-фарадные характеристики для различных варикапов

Максимальная емкость варикапа в зависимости от его типа составляет 5-300 пФ. Отношение минимальной и максимальной емкостей обычно равно 1:5.

Варикапы используются для построения колебательных контуров с управляемой напряжением резонансной частотой в области СВЧ (рис. 8).

Рис. 8. Колебательный контур на варикапе

Туннельные диоды отличаются от обычных диодов тем, что могут усиливать сигналы подобно транзисторам. Это объясняется наличием участка с отрицательным сопротивлением на их вольт-амперной характеристике (рис. 9).