Лекции в ворде (Лк9)

Посмотреть архив целиком

12 Характеристическое сопротивление диодов

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление rd и сопротивление по постоянному току RD. Дифференциальное сопротивление определяется как



(12.1)

На прямом участке ВАХ диода дифференциальное сопротивление невелико и составляет значение несколько Ом. На обратном участке ВАХ диода дифференциальное сопротивление rd стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току RD. Определяется как отношение приложенного напряжения к протекающему току через диод:

.


(12.2)

На прямом участке ВАХ сопротивление RD >rd, на обратном - RD <rd. В точке вблизи нулевого значения напряжения значения сопротивлений совпадают. Действительно, разложив экспоненту в соотношении (12.2), получаем:

.

(12.2)

13 Переходные процессы в полупроводниковых диодах

При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде значение тока через диод, соответствующее статической ВАХ, устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких переключениях называют переходным процессам. Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением носителей в базе диода при его прямом включении и их рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на динамические свойства диодов в режиме переключения.

Рассмотрим изменение тока I при переключении диода с прямого напряжения Vсм на обратное напряжение. В стационарном случае величина тока в диоде описывается уравнением Шокли (7.39): После завершения переходных процессов величина тока в диоде будет равна .

При прямом смещении диода на основе несимметричного pn-перехода происходит инжекция неравновесных дырок в базу диода. Изменение во времени и пространстве неравновесных инжектированных дырок в базе описывается уравнением непрерывности:

(13.1)

В момент переключения напряжения в диоде с прямого на обратное (t=0) накопленные неосновные носители заряда будут возвращаться в обратном направлении: электроны в n-область, дырки в р-область.

Величина обратного тока в первый момент после переключения будет существенно больше, чем ток насыщения диода. Это происходит потому, что обратный ток диода обусловлен дрейфовой компонентой тока, а ее величина в свою очередь определяется концентрацией неосновных носителей в базе, определяемых выражением:

, .


(13.2)

С течением времени концентрация неравновесных носителей будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток. За время t0, называемое временем восстановления обратного сопротивления или временем рассасывания, обратный ток придет к значению, равному току насыщения. На рис. 13.1 приведены координатные зависимости концентрации в различные моменты времени.

Рис. 13.1 Координатные зависимости p(x,t) в различные моменты времени

Для описания кинетики этого процесса запишем граничные и начальные условия для уравнения (13.1) в следующем виде:

, .


(13.2)

Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе ОПЗ pn-перехода:

(13.3)

Процедура нахождения кинетики обратного тока следующая. Учитывая граничные условия, решается уравнение (13.2) и (13.3) и находится зависимость концентрации неравновесных носителей в базе p(x,t) от времени и координаты.

Рис. 13.2 Зависимость обратного тока при переключении диода

В момент t=0 величина обратного тока будет бесконечно большой. Физическим ограничением для этого тока будет служить максимальный ток, который может протекать через омическое сопротивление базы диода rб при обратном напряжении Vсм. Величина этого тока, называемого током среза, Iср равна: .

Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза. Для импульсных диодов время среза τср и время восстановления обратного сопротивления τв являются важными параметрами. Для уменьшения их значения существуют несколько способов. Во-первых, можно уменьшить время жизни неравновесных носителей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных центров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители рекомбинировали на тыльной стороне базы.




14 Полупроводниковые диоды

В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе pn-перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

14.1 Выпрямительные диоды

Основная задача полупроводникового диода – выпрямление переменного (в частности синусоидального) тока, то есть выделение постоянной его составляющей. Выпрямительные или вентильные свойства полупро-водникового диода определяются его ВАХ (рис. 14.1).

Рис. 14.1 ВАХ идеализированного выпрямляющего устройства

ВАХ такого идеализированного выпрямляющего устройства можно охарактеризовать значениями обратного тока и прямого напряжения. Реальные ВАХ диодов представлены на рис. 14.2.

Рис. 14.2. ВАХ реального pn-перехода

Выпрямительный, или силовой, диод – прибор, предназначенный для выпрямления переменного тока . Кроме того их применяют в цепях управления и коммутации, для развязок в электрических цепях, ограничения выбросов напряжений в цепях с индуктивными элементами, а также в цепях, где необходимы вентильные элементы и не предъявляется жестких требований к временным и частотным параметрам.

На рис. 14.3, а, б приведены графики процесса однополупериодного выпрямления переменного тока и простейшая электрическая схема выпрямителя с использованием полупроводникового диода.

Основу выпрямительного диода составляет pn-переход, ВАХ такого диода имеет ярко выраженную нелинейность. В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Рис. 14.3. Графики напряжения и выпрямленного тока (а). простейшая выпрямительная схема (б)

По типу применяемого материала выпрямительные диоды подразделяют на германиевые и кремниевые. Наибольшее распространение получили кремниевые диоды, так как их обратные токи на несколько порядков меньше, а допустимые обратные напряжения существенно выше, чем в германиевых (рис. 14.4).

Рис. 14.4. Качественное сравнение ВАХ германиевого и кремниевого диода (масштабы прямого и обратного токов различны)

Вентильные свойства диода выражены тем ярче, чем меньше обратный ток и прямое напряжение (в идеальном случае они должны быть равны нулю). Эти требования противоречат друг другу. Уменьшение тока насыщения, например, за счет увеличения концентрации легирующей примеси в соответствии с формулой , ведет, как следует из формулы , к возрастанию контактной разности потенциалов и, следовательно, к увеличению прямого напряжения, которое необходимо подавать на диод для получения того же значения прямого тока.К аналогичным выводам можно прийти, анализируя влияние ширины запрещенной зоны (собственной концентрации носителей) на значения этих параметров.

В Si диоде обратный ток определяется током генерации-рекомбинации в ОПЗ, а в Ge диоде – током экстракции (насыщения Is). На прямой ветви ВАХ при напряжении U* наблюдается резкий перегиб. Обычно значения U* составляют 0,6-0,7 В для диодов на основе Si и 0,3-0,4 В для Ge диодов. Эти значения близки к контактным разностям потенциалов этих материалов. При повышении температуры изменяются практически все электрофизические свойства полупроводников, поэтому изменяются и параметры полупроводниковых приборов, в частности, значение контактной разности потенциалов, уменьшается; ток насыщения, растет (рис. 14.5). Необходимо подчеркнуть, что изменение температуры диода может произойти не только вследствие изменения температуры окружающей среды, но и за счет саморазогрева pn-перехода при больших плотностях протекающего через него токов. Снижение влияния температуры добиваются путем введения специальных конструктивных элементов корпусов – радиаторов (рис. 14.6).