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 UAK = 0 существует баланс диффузионной и дрейфовой составляющих токов через переход

iдиф = iдр = IS (T)

Iпр = Iобр

I = Iпр - Iобр = 0

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

Iпр = iдиф iдр >0

При UAK < 0 появляется обратный ток, определяемый дрейфовой состовляющей

Iобр = iдр - iдиф > 0.

Т.к. p-n - переход при обратном смещении закрывается из-за увеличения ширины ОПЗ и iдиф → 0 , то Iобр = iдр = IS (T).

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

iдиф = IS (T)eUAK/mUT ,

а дрейфовая составляющая описывается как iдр = IS (T) , то исходя из того, что при UAK > 0

Iпр = iдиф – iдр = IS (T)eUAK/mUT - IS (T)

получим выражение Iпр = IS (T)(eUAK/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 IS (T) - тепловой ток, определяющий масштаб ВАХ диода. Термин "тепловой" отражает сильную температурную зависимость тока IS (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

>> mUT обратный ток диода равен - IS (T) и не зависит от UAK . Обычно для германиевых диодов IS 1 - 0.1 мкА, а для кремниевых IS 1 - 0.1 пА.

mUT - 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 mUT = 300 мВ для Ge-диодов и 600 мв для Si-диодов.

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

Iпр = I О (e(UAK - aD T)/mUT - 1) .

Смысл последнего выражения заключается в том, что для того, чтобыопределить значение Iпр при увеличении Т , но при этом не вычисляя новое значение IS ( T) , которое также должно увеличится, необходимо значение UAK с учетом отрицательного температурного коэффициента a увеличить на 2 мВ на каждый градус К . Это будет удобно для дальнейших расчетов Iпр , когда при условно принятом IS ( T) =const его значение IS ( 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 Uвх с амплитудой Um , тона резисторе нагрузки RН будет выделяться выходное напряжение Uвых , соответствующее только одному полупериоду Uвх . Амплитуда положительного полупериода будет равна Um , а амплитуда отрицательного полупериода будет зависить от Iобр .

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 Авых Ме > Aвых 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 Авых Ме < Aвых 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 Fраб = 3-15 ГГц).

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

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 Iст ограничивают с помощью ограничительного резистора Rогр :

,

Стабисторы - те же стабилитроны, но используют прямую ветвь ВАХ для стабилизации малых напряжений (Uст ≈ 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 UAK = 0 на Si-диоде ширина p-n-перехода равна l0 = 0,6 мкм, на Ge - 0,4 мкм. При увеличении обратного напряжения U увеличивается 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).


Copyright © MirZnanii.com 2015-2018. All rigths reserved.