Лекция 2. Полупроводниковые диоды

Электронно-дырочный переход и его свойства. Электронно-дырочным пере­ходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристал­ла, в котором одна часть имеет электронную, а другая — дырочную электропро­водность. Технологический процесс созадния электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия — ориентированный рост одного кри­сталла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает. Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 2.1 а. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную прово­димость (Л^-область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (/'-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Электроны в Л^-области стремятся проникнуть в Р-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р-области перемещаются в Л^-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возни­кает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через гра­ницу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препят­ствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и Р-областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе при­ведено на рис. 2.1 б.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное элект­рическое поле Дсобств. направление которого показано на рис. 2.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное из­менение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на ^-«-переходе определяется контактной разностью потенциалов N- и Р-областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

 

где ^i=kT/q — тепловой потенциал, N„ и Рр — концентрации электронов и дырок в N- и Р-областях, л, — кон­центрация носителей в нелегирован­ном полупроводнике.

Контактная разность потенциа­лов для германия имеет значение 0,6... 0,7 В, а для кремния — 0,9.. 1,2В Высоту потенциального барьера можно изменять приложени­ем внешнего напряжения к р-п- переходу. Если внешнее напряжение создает в ^-п-переходе поле, кото­рое совпадает с внутренним, то вы­сота потенциального барьера увели­чивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшает­ся. Если приложенное напряжение

 

Рис. 2 1. Резкий р-п-переход и распределение объемного заряда в нем

равно контактной разности потенциалов, то поюнциальный барьер исчезает пол­ностью.

Вольт-амперная характеристика /»-и-перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности приложенного напряжения. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его — обратным Приложение прямого и обратного напряжения к ^-л-переходу показано на рис 2 2

Обратный ток в /7-и-переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попа­дают в область, где они уже являются основными носителями Так как концентра­ция основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей прак­тически не изменит равновесного состояния полупроводника Таким образом, об­ратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенци­ального барьера, т е. он остается постоянным при изменении обратного напряже­ния на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается logp^I,.

При прямом смещении ^-л-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер Пройдя ^-«-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителя­

 

ми Концентрация неосновных носителей при этом может су­щественно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Та­кое явление носит название ин-жекции носителей.

Таким образом, при проте­кании прямого тока через пере­ход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из ды­рочной области будет происхо­дить инжекция дырок. Диффузи­онный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивает­ся экспоненциально:

 

где U — напряжение на р-п- переходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, про­текающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении ^-«-перехода будет равен разности диффузионного тока (2.2) и тока проводимости:

 

Уравнение (2.3) называется уравнением Эберса — Молла, а соответствующая ему вольт-амперная характеристика ^-«-перехода приведена на рис. 2.3. Поскольку при (рт^ЗООК тепловой потенциал Г=25мВ, то уже при t/=0,l В можно считать, что

 

-дну -л - - \—../

Дифференциальное сопротивление ^-п-перехода можно определить, восполь­зовавшись формулой (2.3):

 

откуда получаем

 

Так, например, при токе / = 1 А и (рг ⁼ 25 мВ дифференциальное сопротивление перехода равно 25м0м.

Предельное значение напряжения на р-п-переходе при прямом смещении не

превышает контактной раз­ности потенциалов лу^. Об­ратное напряжение ограни­чивается пробоем р-п-перехо- да. Пробой р-п-перехода возникает за счет лавинного размножения неосновных но­сителей и называется лавин­ным пробоем. При лавинном пробое ^-«-перехода ток че­рез переход неграниченно возрастает при неизменном напряжении на нем, как по­казано на рис 2.3

Полупроводниковый р-п- переход имеет емкость, ко­торая в общем случае опре­деляется как отношение при­ращения заряда на переходе к приращению падения на­пряжения на нем, т е. C=dq/du. Емкость перехода

 

Рис 2 3 Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

 

зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной и оп­ределяется по формуле

 

где уд- — контактная разность потен­циалов, U — обратное напряжение на переходе, Сбэр(О) — значение барьерной емкости при U⁼0, которое зависит от площади 77-и-перехода и свойств полу­проводникового кристалла. Зависи­мость барьерной емкости от приложен­ного напряжения приведена на рис. 2.4. Теоретически барьерная емкость

существует и при прямом напряжении

Рис 2 4 Зависимость барьерной емкости

от напряжения на ^-переходе ^на ^-"-переходе, однако она шунтиру­ется низким дифференциальным со­противлением Гддф. При прямом смеще­нии /?-и-перехода значительно большее

влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямо­го тока / и времени жизни неосновных носителей Хр. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости можно определить по формуле

 

Полная емкость перехода при прямом смещении определяется суммой барьер­ной и диффузионной емкостей

 

При обратном смещении перехода диффузионная емкость отсуствует и полная емкость состоит только из барьерной емкости.

Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) /7-д-переходов. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямитель­ные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления пе­ременного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства р-п-переходов', явле­ние пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивле­нием и др.

Конструктивно выпрямители ibie диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади ^-«-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материа­лом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до ЮОкГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металли­ческой подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до не­скольких МГц.

При большом токе через р-п-переход значительное напряжение падает в объе­ме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом выражения (2.4) вольт-амперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид

 

где R — сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называ­ют последовательным сопротивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 2.5 а, а его структура на рис. 2.5 б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом (по анологии с электровакуумным диодом), а электрод, под­ключенный к области N, — катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 2.5 в.

 

Рис. 2.5. Условное обозначение полупроводникового диода (а), его структура (б) и вольт-амперная характеристика (в)

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

• падение напряжения £/„p на диоде при некотором значении прямого тока;

• обратный ток /обр при некотором значении обратного напряжения;

• среднее значение прямого тока /цр ср;

• импульсное обратное напряжение С/обри-

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

• время восстановления?,ос обратного напряжения;

• время нарастания прямого тока /нар;

• предельная частота без снижения режимов диода/щах.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристи­ке диода, которая приведена на рис. 2.5 в. Типовые значения статических парамет­ров силовых диодов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2 1 Статические параметры силовых выпрямительных диодов

Тип диодаТехнология изготовления/обр, "А (при с/овр. в) Uap, В (при /др. А)Д247сплавной3,05001,510КД213диффузионный0,22001,010КД2998эпитаксиальный с барьером Шотки20,0350,630

Время обратного восстановления диода tyyc. является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно опре­деляется при переключении диода с заданного прямого тока /яр ^на заданное об­ратное напряжение </обр- Графики такого переключения приведены на рис. 2.6 а. Схема испытания, приведенная на рис. 2.6 б, представляет собой однополупериод-ный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку Ry и питаемый от источ­ника напряжения прямоугольный формы. (

Напряжение на входе схемы в момент времени t=0 скачком приобретает | положительное значение t/m. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени?„р- Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после /нар становится равным С/пр- В момент времени?i в цепи устанавливается стационар­ный режим, при котором ток диода i~=I^UJRy

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t^, когда поляр­ность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе /?-п-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противополож­ное. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе ^-«-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывания?ряначинается процесс выключения диода, т. е. процесс восстановления его запираю­щих свойств.

К моменту времени /з напряжение на диоде становится равным нулю и в дальнейшем приобретает обратное значение Процесс восстановления запира­ющих свойств диода продолжается до момента времени 1д, после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным нулю, а напряжение достигает значения -t/да Таким образом, время ^ос можно отсчи­тывать от перехода t/д через нуль до достижения током диода нулевого значения /,=0

Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода показывает, что он не является идеальным вентилем и в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Время рассасывания неоснов­ных носителей в ^-«-переходе можно определить по формуле

 

где т,, — время жизни неосновных носителей.

Время восстановления обратного напряжения на диоде можно оценить по приближенному выражению

 

Следует отметить, что при 7?н=0 (что соответствует работе диода на емкост­ную нагрузку) обратный ток через диод в момент его запирания может во много раз превышать ток нагрузки в стационарном режиме.

Из рассмотрения графиков рис. 2.6 а следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и, особенно, при выключении. Следова­тельно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямленного напряже­ния. При работе диода на низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют и потери в диоде резко снижаются

При изменении температуры корпуса диода изменяются его параметры Эта зависимость должна учитываться при разработке аппаратуры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Темпе­ратурный коэффициент напряжения (ТКН) на диоде имеет отрицательное значе­ние, так как при увеличении температуры напряжение на диоде уменьшается. Приближенно можно считать, что ТКН {7„р=-2мВ/К.

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент Так, при увеличении температуры на каждые 10°С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых — 2,5 раза

Потери в выпрямительных диодах можно рассчитывать по формуле

 

где Т*,,? — потери в диоде при прямом направлении тока, Ровр — потери в диоде при обратном токе, Psw — потери в диоде на этапе обратного восстановления.

 

Рис 2 6 Графики процессов отпирания и запирания диода (а) и схема испытания (б)

Приближенное значение потерь в прямом направлении можно рассчитать по формуле

 

где /„рср и С/„рср — средние значения прямого тока и прямого напряжения на диоде Аналогично можно рассчитать потери мощности при обратном токе.

 

И, наконец, потери на этапе обратного восстановления определяются по йоомуле

 

где / — частота переменного напряжения.

После расчета мощности потерь в диоде следует определить температуру кор­пуса диода по формуле

 

где Тяшкс^^С — максимально допустимая температура кристалла диода, /?„„ — тепловое сопротивление переход-корпус диода (приводится в справочных данных на диод), 7к „акс — максимально допустимая температура корпуса диода

Диоды с барьером Шотки Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ) В этих диодах вместо р-п-перехода. используется контакт металлической поверхности с полу­проводником В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с /7-п-переходом по следующим параметрам.

• более низкое прямое падение напряжения;

• имеют более низкое обратное напряжение,

• более высокий ток утечки;

• почти полно!".-^ отсутствует заряд обратного восстановления

Две основные^характеристики делают эти диоды незаменимыми при проекти­ровании низковольтных высокочастотных выпрямителей, малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150В При этом напряжении прямое напряжение ДШ меньше прямого напряжения диодов с ^-«-переходом на 0,2. 0,3 В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямле­нии малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4.0,6 В, а при том же токе диод с /»-и-переходом имеет падение напряжения 0,5..1,0В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3 0,4В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10 15%. Максимальная рабочая частота ДШ превышает 200 кГц при токе до 30 А.