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
, 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 UAК
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 jFp
-
jFn
сопровождается 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 jFn
совпадает 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.