Полупроводниковые нелинейные элементы: полупроводниковые диоды

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_T обратный 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, чтобы определить 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, то на 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_AК 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).

Отличительной особенностью туннельного диода являются очень малые удельные сопротивления p - и n-слоев и, соответственно, очень малая ширина перехода - 0,01 ... 0,02 мкм. Концентрация примесей в слоях достигает 10¹⁹ см ^{- 3} и больше. В этом случае полупроводник вырождается, превращаясь в полуметалл. Уровни примесных атомов сливаются в зоны, а те в свою очередь сливаются с соответствующими основными зонами слоев. В результате уровни Ферми, как и в металле располагаются не в запрещенных зонах p - и n-слоев, а в разрешенных зонах: в валентной зоне p-слоя и в зоне проводимости n-слоя. При этом энергетическая диаграмма симметричного перехода в равновесном состоянии будет примерно такой, как показано на рис. 11а. Как видим, нижняя часть зоны проводимости в n-слое и верхняя часть валентной зоны в p-слое оказались разделенными весьма узким запорным слоем, что позволяет переходить носителям в смежный слой сквозь переход, т.е. не преодолевая потенциальный барьер. Это явление обусловлено туннельным эффектом, откуда и происходит название диодов.

Рис. 9. Статическая характеристика туннельного диода.

В равновесном состоянии потоки электронов из зоны проводимости n-слоя и валентной зоны p-слоя уравновешиваются и ток через переход отсутствует (рис. 10а).

Приложим к диоду внешнее напряжение обратной полярности (т.е. плюсом к n-слою). Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 10б). Т.к. количество электронов с энергией, превышающей уровень Ферми, невелико, то поток электронов из p-слоя в n-слой увеличится, а обратный ток останется почти неизменным. Следрвательно, результирующий ток будет протекать в направлении от n-слоя к p-слою. Этот ток быстро возрастает с увеличением обратного напряжения, поскольку плотность электронов в глубине валентной зоны огромна и малейшее приращение разности j_Fp - j_Fnсопровождается существенным изменением потока электронов из p-слоя в n-слой.

Теперь приложим к диоду небольшое прямое напряжение. Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 10в). Легко заметить, что поток электронов из p-слоя в n-слой сильно убывает, а обратный поток меняется сравнительно слабо. Следовательно, результирующий ток протекает в направлении от p-слоя к n-слою и при небольших прямых напряжениях возрастает с увеличением напряжения (рис 9). Граница этого участка приблизительно соответствует диаграмме на рис. 10в), на которой уровень Ферми j_Fnсовпадает с потолком валентной зоны p-слоя (участок 0–1).

Рис. 10. Энергетические диаграммы туннельного диода на разных участках ВАХ: а) равновесное состояние (ток через переход отсутствует); б) обратное включение (участок ВАХ левей точки 0); в) прямое включение при малых прямых напряжениях (участок ВАХ между точками 0 и 1); г) прямое включение при средних напряжениях (участок ВАХ между точками 1и 2); д) прямое включение при больших напряжениях (участок ВАХ между точками 2 и 3 и правее)

При дальнейшем увеличении прямого напряжения поток электронов из n-слоя в p-слой убывает (рис. 10г) и, соответственно, убывает прямой ток. В результате на ВАХ получается участок с отрицательным сопротивлением (рис. 9, точки 1-2). Конец этого участка соответствует такому напряжению, при котором потолок валентной зоны в p-слое совпадает с дном зоны проводимости в n-слое. При ещё большем напряжении запрещённая зона делается “сквозной”, туннельный эффект исчезает и ток снова увеличивается, но уже за счёт обычного механизма преодоления электронами потенциального барьера (рис. 10д).

Таким образом, ВАХ туннельного диода (рис. 9.) складывается из двух частей: туннельной (левее точки 2) и диффузионной (правее точки 2). Диффузионная часть, как и в обычном диоде, обусловлена инжекцией и описывается выражением

Диоды этого типа нашли применение в переключателях тока, усилителях и генераторах колебаний СВЧ-диапазона, в преобразователях частоты и других устройствах.

Интересным вариантом туннельного диоба является так называемый обращённый диод, ВАХ которого показана на рис. 11.

Рис. 11. Статическая характеристика обращённого диода

Как видим, особенность этого диода состоит в том, что на прямой ветви отсутствует (или очень мал) максимум. В этом случае логично повернуть характерисику на 180⁰ (показана пунктиром) и считать прямую ветвь обратной, а обратную - прямой. При этом, обращённый диод имеет значительно меньшее прямое (т.е. на самом деле - обратное) напряжение, чем обычные диоды (оно составляет величины порядка 0,01...0,1 В в отличие от 0,4... 0,6 В для обычных диодов), что очень ценно для многих применений. Однако его обратное (т.е. на самом деле - прямое) напряжение тоже весьма мало (0,3... 0,6 В) и с этим нужно считаться при расчёте схем.

Диоды этого типа применяются в детекторах и смессителях сигналов СВЧ диапазона.

Литература

1.  Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства / Авторы: В.И.Бойко, А.Н.Гуржий, В.Я.Жуйков, А.А.Зори, В.М.Спивак / - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 496 с.: ил.

2.  Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства / Авторы: В.И.Бойко, А.Н.Гуржий, В.Я.Жуйков, А.А.Зори, В.М.Спивак, В.В.Багрий / - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 512 с.: ил.

3.  Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микроконтроллеры / Авторы: В.И.Бойко, А.Н.Гуржий, В.Я.Жуйков, А.А.Зори, В.М.Спивак, Т.А.Терещенко, Ю.С.Петергеря / - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 464 с.: ил.