2.2. Фізичне значення параметрів діода

Низкочастотные параметрів

Опір діода є простий диференціальний опір діода, тобто опір діода малому змінному струму при постійному зсуві.

Дифузійну місткість звичайно пов'язують із зміною заряду інжектірованних носіїв при зміні напруги на діоді. Дійсно, інжектірованниє носії протягом деякого часу існують в областях діода, що примикають до р-п - переходу. При зміні напруги частина накопичених неосновних носіїв може повернутися в р-п - перехід і пройти через нього в сусідню область. Струм, що утворюється при цьому, аналогічний струму місткості.

Проте до цього потрібні деякі пояснення і доповнення. Річ у тому, що при інжекції області, примикаючі до р-п - переходу, залишаються нейтральними, тобто ніякий сумарний заряд в них не з'являється. Нейтралізація заряду відбувається через підхід основних носіїв в ті області, куди відбулася інжекція неосновних носіїв. Нейтралізація встановлюється за дуже малий проміжок часу -порядка часу максвеловськой або діелектричної релаксації (звичне 10^-11...10^-12 с). Оскільки концентрація основних носіїв відносно велика і необхідна їх кількість поповнюється невипрямляючим контактом, нейтралізація виходить практично повна. Слід помітити, що нейтралізується не тільки заряд в середньому по всій області, але і заряд в кожній крапці, тобто виконується умова локальної електричної нейтральності.

Не дивлячись на те, що при інжекції примикаючі до р-п - переходу області не заряджають, дифузійну місткість можна пов'язати із зарядом інжектованих носіїв, оскільки інжектувані неосновні носії і нейтралізуючі їх основні носії не зникають. Для порівняння пригадати, що і звичний конденсатор в цілому електрично нейтральний. Але в звичному конденсаторі позитивні і негативні заряду просторово розділені (те ж саме можна сказати і про р-п -переход при розгляді його бар'єрної місткості), тоді як при інжекції через р-п - перехід і позитивний, і негативний заряду опиняються в одній і ой же області і просторово не розділяються, внаслідок чого не можливо знайти область, де проходять струми зсуву.

Отже, дифузійну місткість можна пов'язати із зміною заряду інжектованих неосновних носіїв, але не можна пов'язати з походженням струму зсуву. У цьому істотна фізична відмінність дифузійної місткості від бар'єрної місткості р-п - переходу і від місткості звичного конденсату.

Дифузійну місткість можна представити таким чином:

Постійна часу. Якщо продовжити аналогію

напівпровідникового діода з конденсатором, то можна з'ясує фізичне значення постійної часу гС_діф. Для конденсатора постійна часу показує, за який час його заряд зменшується в е раз, тобто постійна часу характеризує час зникнення заряду конденсатора.

Постійна часу діода з товстою базою при низькій частоті теж характеризує час зникнення заряду. Дійсно, - час життя неосновних носіїв - якраз і показує, протягом якого часу концентрація неосновних носіїв змінитися в е раз через рекомбінацію.

Для діода з тонкою базою при низькій частоті постійна часу визначається відповідно до виразу:

Высокочастотные значення

Для високочастотних значень опору і дифузійної місткості діода характерна їх частотна залежність. Це сильно обмежує використовування таких параметрів діода, оскільки утрудняє розрахунок частотних характеристик схем з використанням напівпровідникових діодів.

Така частотна залежність з'явилася через те, що система з розподіленими параметрами (діод на високій частоті) була представлена моделлю діода із зосередженими параметрами, яка є невдалою для високих частот. Звідси витікає, що не можна шукати фізичне значення високочастотних параметрів напівпровідникового діода. Їх треба розглядати як формальні.

Перехідні процеси в діодах з р-п переходом

При різкій зміні струму через р-п перехід напруга на ньому встановлюється протягом певного часу. Такий перехідний процес обумовлений інформаційністю явищ, що протікають в р-п переході при перемиканні. Розрізняють перехідні процеси включення, перемикання діода з прямого напряму в зворотний і виключення діода. Інерційність протікаючих процесів пов'язана з накопиченням і розсмоктуванням неосновних носіїв заряду в базі діода, а також перезарядом бар'єрної місткості р-п переходу.

Розглянемо перехідний процес включення р-п переходу в простій схемі, представленій на рис.2.1. При подачі на вхід схеми імпульсу напруги позитивної полярності струм через діод змінюється. Якщо , то струм діода протягом перехідного процесу практично не змінюється. В цьому випадку зовнішній ланцюг — по відношенню до діода є джерелом струму. До моменту часу рівному 0,ток через р-п перехід відсутній, і концентрація дірок в базі мала рівноважне значення . З моменту часу рівному 0 відбувається інжекція дірок в базу. Струм дірок рекомбінуючих в базі, пропорційний надмірному заряду дірок - і обернено пропорційний часу життя дірок. На початковій стадії процесу, поки заряд дірок малий, струм рекомбінації багато менше струму інжекції дірок і швидкість накопичення дірок в базі велика. У міру збільшення заряду дірок в базі росте кількість дірок, рекомбінуючих з електронами, і швидкість накопичення дірок зменшується. На кінцевій стадії перехідного процесу встановлюється динамічна рівновага між струмом дірок, інжектованих в базу, і струмом дірок, рекомбінуючих в базі з електронами.

На характер місткості опору р-п переходу указує те, що напруга - протягом перехідного процесу включення зростає від Про до сталого значення .

При перехідному процесі перемикання діода з прямого напряму в зворотний з моменту часу починається процес розсмоктування накопиченого заряду дірок в базі. Зменшення концентрації дірок в базі відбувається через їх рекомбінацію з електронами і за рахунок відходу дірок в n область переходу. Весь перехідний процес виключення діода ділиться на два етапи: етап розсмоктування, протягом якого струм діода обмежений зовнішнім ланцюгом і залишається постійним, і етап відновлення зворотного опору практично до нуля.

Тривалість перехідних процесів накопичення, розсмоктування і відновлення зворотного опору діода з р-п переходом пропорційно часу життя неосновних носіїв заряду - в базі діода. Тому при виготовленні швидко дійних діодів знижують час життя неосновних носіїв заряду в базі, вводячи в неї подушки рекомбінація шляхом легування ПП - но домішками з глибокими рівнями або опромінюючи прилади потоком високо енергетичних електронів і ін. При виготовленні швидко дійних діодів для легування звичайно використовується золото . При високому рівні інжекції час життя носіїв заряду в кремнії пов'язане з концентрацією атомів золота –співвідношенням.

Гранична концентрація електрично активних центрів золота складає в кремнії 10¹⁷ см³. При великій концентрації золота зростають опори бази і зворотний струм. Всі швидкодійні діоди характеризуються підвищеними зворотними струмами. При концентрації золота, порівнянній з концентрацією легуючої донорной домішці в базі, питомий опір бази різко зростає, що погіршує параметри діодів.

Діоди з сильнолегированої базою мають малу напругу пробою. Наприклад, в кремнієвому діоді з - напруга пробою буде менше 15В.

Для підвищення швидкодії діодів необхідно окрім зниження часу життя зменшувати бар'єрну місткість - (зменшуючи площу р-п переходу) і знижувати опір бази, що має р-п-п структуру. У будь-якому випадку вимога по підвищенню швидкодії, робочих напруг і струмів є суперечливими.

Частотні властивості діодів з р-п переходом

Найчастіше діоди з р-п переходом використовують для випрямляння, детектування, модуляції напруги синусоїдальної або майже синусоїдальної форми.

Розглянемо поведінку р-п переходу при дії на нього синусоїдального струму або напруги різної частоти, період коливань. Перехідні процеси в р-п переході протікають протягом часу порядку часу життя дірок - в і-базі діода. На низькій частоті, для кожного моменту часу зміна синусоїдальної напруги перехідні процеси, пов'язані з рекомбінацією, встигають встановитися. Такий режим називається квазістаціонарним. Форма струму є несинусоїдальної форми, струм діода протікає практично тільки в першій підлозі періоду.

При розгляді перехідних процесів в р-п переході було показано, що процеси накопичення неосновних носіїв заряду -дирок -в і-базі + п переходе - носять характер місткості. На малій змінному анклаві цю інерційність можна описати кількісно шляхом введення дифузійної місткості р-п переходу, рівної відношенню зміни дірок, накопичених в квазінейтральній n-базе, до зміни напруги, прикладеної до ОПЗ р-п переходу:

Істотною особливістю дифузійної місткості є те, що заряди дірок і електронів, накопичувані в я-база в умовах квазіелектронейтральності, просторово не розділені, а присутні спільно протягом часу життя дірок.

На рис.2.5. наведені умовні позначення напівпровідникових приладів.

Рис. 2.5. Умовні графічні позначення напівпровідникових приладів:

а) — випрямний і імпульсний діод; б) - стабілітрон і стабистор;

в) — симетричний стабілітрон; г) — діод Шоттки; д) — випромінюючий діод; е) — фото діод; ж) – тріодний тиристор; з) – симетричний тиристор; и) —биполярний транзистор р-n-р - типу; к) — біполярний транзистор n-р-n - типу; л) - польовий транзистор з р-n-переходом, що управляє, і n - каналом; м) — польовий транзистор з р-n – переходом, що управляє і р - каналом; н) — МДП - транзистор з вбудованим n - каналом; о) — польовий транзистор з вбудованим р - каналом; п) - МДП транзистор з індукованим п - каналом; р) -МДП-транзистор з індукованим р-каналом.

Принцип класифікації ПП діодів

ПП діоди широко застосовуються в пристроях радіоелектроніки, автоматики і обчислювальної техніки, силової (теоретичної) перетворювальній техніки. Не дивлячись на велику різноманітність і широку номенклатуру діодів, що випускаються в даний час, їх можна класифікувати по ряду ознак, найважливішими і яких є фізичні ефекти і явища, що визначають механізм роботи приладів, конструктивно-технологічні особливості, сукупність параметрів і області вживання. Класифікація сучасних ПП діодів по їх призначенню, фізичним властивостям, основним електричним параметрам, конструктивно-технологічним ознакам, початковому ПП-му матеріалу знаходить віддзеркалення в системі умовних позначень діодів. У основу системи умовних позначень і маркіровки діодів встановлений буквено-цифровий код, що відображає інформацію про початковий ПП-м матеріалі, підкласі (або групі) приладів, призначенні (параметр або принцип дії), порядковому номері розробки. Умовне позначення включає ще ряд буквено-цифрових елементів.

Класифікація ПП пристроїв

По типу початкового напівпровідникового матеріалу діода діляться на кремнієві, германієві і діоди з арсеніду галію . Рідше застосовуються інші напівпровідникові матеріали: селен, карбід кремнію. Більшість сучасних напівпровідникових діодів виготовляється на основі кремнію.

Залежно від конструктивно-технологічних особливостей розрізняють площинні, точкові і мікро сплавні діоди. Точкові і мікро сплавні діоди призначені для роботи на СВЧ і мають обмежений випуск. Діоди виготовляють з дифузійної і сплавної технології із застосуванням операцій епітаксії і імплантації домішок. Сплавна технологія в даний час має обмежене використування.

Клас діодів містить наступні підкласи: випрямні діоди, імпульсні діоди, надвисокочастотні діоди, стабілітрони, стабістори, варикапи і параметричні діоди, діоди Шоттки, тунельні і обернені діоди, діоди Ганна, лавинно-пролітні діоди, светлопроменеві діоди і напівпровідникові лазерні, фото діоди, магніто діоди, тензодіоди і ін.

Особливе місце в силовій (енергетичної) напівпровідниковій електроніці займають силові діоди (з граничним середнім або граничним діючим струмом 10А і більш), або, по іншій вітчизняній класифікації, могутні діоди (з розсіюванню потужністю 1 Вт і більш). Силові напівпровідникові діоди мають дещо відмінну систему класифікації і систему

позначень. По здатності навантаження у області пробою силові діоди підрозділяються на випрямні, лавинні випрямні, лавинні випрямні з контрольованим пробоєм.

Випрямні діоди призначені для випрямляння змінного струму. Для цих діодів робота у області пробою недопустима. Відповідно до діючих стандартів (технічними умовами) до цих діодів навіть короткочасно не дозволяється прикладати зворотні напруги, що приводять до лавинного пробою р-п переходів. Лавинні випрямні діоди можуть протягом обмеженого інтервалу часу розсіювати імпульс прикладеної енергії у області пробою при роботі на зворотній ВАХ, тобто, працювати як обмежувач напруги.

Лавинні випрямні діоди з контрольованим пробоєм призначені для роботи в сталому режимі у області пробою, тобто можуть працювати як стабілізатори, а в окремих випадках — як обмежувачі напруги.

Система параметрів діодів включає велике число параметрів. Параметри діодів підрозділяються на граничні параметри, що визначають гранично допустимі значення - максимально і (або) мінімально допустимі значення - і характеризуючи (робочі) параметри.

Допустиме значення параметра - це значення, при якому очікується задовільна робота приладу, а граничне допустиме значення параметра - це значення, за межами якого прилад може бути пошкоджений або виведений з ладу.

Випрямні діоди

Випрямні діоди призначені для перетворення змінного струму в постійний. Частотний діапазон їх роботи невеликий. При перетворенні промислового змінного струму робоча частота складає 50 Гц, а верхня межа частот - так звана гранична частота випрямних діодів - як правило. Не перевищує 500 Гц - 20 кГц.

Для характеристики випрямних діодів використовують наступні параметри: максимально допустима постійна зворотна напруга U_o6pmax - напруга, яка може бути прикладене до діода тривалий час без небезпеки порушення його працездатності; максимально допустимий постійний прямий струм I_npmax; постійна пряма напруга U_np при заданому прямому струмі I _npmax; максимально допустимий постійний зворотний струм І_обрмах - зворотний струм витоку діода при додатку до нього напруги U_o6pmax ; частота без зниження режимів - верхнє значення частоти, при якій забезпечуються задані струми і напруги.

По максимально допустимому випрямленому струму діоди розбиті на три групи: діоди малої потужності ( 0,ЗА), діоди середньої потужності (0,ЗА 10А) і могутні (силові) діоди (10А).

До складу параметрів діодів входять діапазон температури навколишнього середовища (для кремнієвих діодів звично від -60 до +125 °З) і максимальна температури корпусу.

Стабилитроны

Стабілітроном називається напівпровідниковий діод, напруга на якому у області електричного пробою при зворотному включенні слабо залежить від струму в заданому діапазоні і який призначений для стабілізації напруги.

а) б)

Рис.2.6. Схема заміщення стабілітрона (а) і робоча область ВАХ стабілітрона (б).

Стабілітрони працюють в режимі електричного пробою. Під дією сильного поля у області р-п переходу зворотний струм різко зростає при малих змінах прикладеної напруги. Цю особливість ВАХ кремнієвого діода у області пробою використовують для стабілізації напруги, а також фіксації рівнів напруг і струмів в схемах, звідси інша назва кремнієвих стабілітронів - опорні діоди.

Напруга пробою, що є напругою стабілізації, може змінюватися в широких межах - від 3,5 до 400 В і вище залежно від питомого опору кремнію. На рис. 2.6., б приведена робоча частина ВАХ стабілітрона.

Основні параметри стабілітронів; напруга стабілізації Uст, динамічний опір r_дин= U_ст/I_ст, статичний опір r_cт = U_cm/I_cm, температурний коефіцієнт напруги стабілізації k=Uст/(Uст_Т) при постійному струмі стабілізації.

Оскільки реальна ВАХ у області пробою має деякий нахил, та напруга стабілізації залежить від струму стабілізації I_ст. Максимальний струм стабілізації I_{ст мах} обмежений допустимою потужністю розсіяння Р_мах і можливістю переходу електричного пробою в тепловий, який є необоротним. Мінімальний струм стабілізації відповідає початку стійкого електричного пробою.

Конструкція стабілітронів аналогічна конструкції випрямних діодів, вибір типу корпусу пов'язаний з потужністю розсіяння. Сучасні стабілітрони мають напруги стабілізації, що доходять до декількох сотень вольт, струми - до десятків ампер.

Діоди Шоттки

Діод Шоттки - це напівпровідниковий діод, випрямні властивості якого засновані на взаємодії металу і збідненого шару напівпровідника.

Для створення діодів Шоттки (ДШ) і користується перехід метал-напівпровідник. Робота цих діодів заснована на перенесенні основних носіїв заряду і характеризується високою швидкодією. Оскільки в них відсутнє характерне для р-п переходів накопичення неосновних носіїв заряду, ДШ використовують як елементи інтегральних мікросхем, а також як дискретні прилади. Малопотужні ДШ виготовляються на основі кремнію і арсеніду галію п-типа і призначаються для перетворення сигналу СВЧ-диапазону (випрямляння, змішання частот, модуляція) і для імпульсних пристроїв. Силові (могутні) ДШ для силової напівпровідникової електроніки виготовляються на основі кремнію п - типа, мають робочі струми до декількох стільників ампер, виключно висока швидкодія (в порівнянні з діодами на основі р-п переходів), але низькі робочі напруги, що не перевищують декількох десятків вольт.

Зворотні струми ДШ на 3-4 порядки більше зворотних струмів діодів з р-п переходом, а прямі напруги для ДШ значно нижче.

В даний час силові ДШ найбільш ефективні як низьковольтні швидко дійні діоди на великі струми.