Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
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 (5.39): 
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:
| (5.65) |
В момент переключения напряжения в диоде с прямого на обратное (t=0) величина обратного тока 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:
 ,  .
| (5.66) |
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. 5.22 приведены координатные зависимости концентрации вразличные моменты времени.
|
| Рис. 5.22 Координатные зависимости p(x, t) вразличные моменты времени |
Для описания кинетики этого процесса запишем граничные и начальные условия для уравнения (5.66) в следующем виде:
 ,  .
| (5.67) |
Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе ОПЗ pn -перехода:
| (5.68) |
Процедура нахождения кинетики обратного тока следующая. Учитывая граничные условия, решается уравнение (5.66) и (5.67) и находится зависимость концентрации неравновесных носителей в базе p(x, t) от времени и координаты.
|
| Рис. 5.23 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, jср равна: 
.
Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза. Для импульсных диодов время среза τ ср и время восстановления τ в обратного сопротивления 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.
5.9 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.
5.9.1 Выпрямительные диоды
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.
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 (рис. 5.26).
|
| Рис. 5.26 Качественное сравнение ВАХ германиевого и кремниевого диода (масштабы прямого и обратного токов различны) |
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 V * наблюдается резкий перегиб. Обычно значения V * 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. 5.28). 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. 5.28 ВАХ диодов при различных температурах: а – Ge диод; б – Si диод. |
5.9.2 Стабилитроны
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, ВАХ которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 5.29.
|
| Рис. 5.28 ВАХ (а) и конструкция корпуса (б) стабилитрона |
При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uстаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление Rдиф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина Rдиф ≈ 2÷ 50 Ом. Основное назначение стабилитрона - стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи.
Основными характеристиками стабилитрона являются ток Iст и напряжение Uст стабилизации, дифференциальное напряжение стабилитрона rст и температурная зависимость этих параметров.
5.9.3 Туннельные диоды
Туннельный диод был предложен в 1958 году Лео Исаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за открытие эффекта туннелирования электронов, применяемого в этих диодах.
Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p+n+- перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке ВАХ которого наблюдается N-образная зависимость тока от напряжения.
Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет NA, ND ~1020 см-3, то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах pp0, nn0 > > NC, NV. В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p+ - и n+ -полупроводников. В полупроводнике n+ типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p+ -типа - дырками.
Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного pn -перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность pn -перехода (p+ - более сильнолегированная область). Тогда ширина p+n+- перехода мала:
| (5.73) |
Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:
| (5.74) |
Таким образом, геометрическая ширина p+n+ -перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p+n+ -переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер.
На рис. 5.31 показаны зонные диаграммы типичного туннельного диода при обратном и прямом смещении, соответствующие различным точкам на ВАХ.
Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями.
|
| Рис. 5.31 Зонные диаграммы и ВАХ туннельного диода при прямом смещении |
Проанализируем особенности ВАХ туннельного диода. При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны п/п p+ -типа на свободные места в зоне проводимости п/п n+ - типа. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение ВАХ резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.
При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости п/п n+ - типа на свободные места в валентной зоне п/п p+ -типа. На участке 1 при обратном смещении (рис. 5.31, а) электроны валентной зоны p+ - области занимают вакантные места в зоне проводимости n+ - области безизменения энергии.
При нулевом смещении переходы зона-зона невозможны и ток равен нулю (рис. 5.31, б). При небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости п/п n+ - типа начинают появляться свободные места в валентной зоне п/п p+ -типа при той же самой энергии. По мере роста напряжения число прямых переходов возрастает, и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне п/п p+ -типа оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости п/п n+ - типа (рис. 5.31, в). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости п/п n+ - типа оказываются состояния в запрещенной зоне п/п p+ -типа (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют) (рис. 5.31, г). На этом участке туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p+ полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости. Это – участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока pn -перехода (рис. 5.31, д).
Из принципа действия туннельных диодов видно, что процессы в них обусловлены основными носителями заряда, а рекомбинация не играет принципиальной роли. Поэтому характерное время в туннельных переходах есть не время жизни неравновесных носителей, а максвелловское время релаксации 
, при 
1 (Ом∙ см)-1 
10-12 с. Вследствие этого теоретический предел частот намного больше, чем у диффузионных pn -переходов. Однако предельная частота реальных приборов понижается вследствие влияния паразитной емкости и индуктивности корпуса прибора.
Первый туннельный диод был изготовлен в 1957 из германия; однако вскоре после этого были выявлены другие полупроводниковые материалы, пригодные для получения туннельных диодов: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др.
В силу того, что туннельных диод в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.
|
|