книги / Физические основы электроники

///////////^^^^

напряжения на нем. Чем больше удельное сопро­ тивление и под­ вижность носите­ лей,тем меньше ем­ кость перехода.

Увеличение обратного напря­ жения расширяет область простра­ нственного заря­ да. Это приводит к уменьшению барьерной емко­ сти. При прямом

смещении толщина перехода уменьшается и емкость возраста­ ет. Барьерная емкость используется в варикапах (рис. 2.6, а, б), представляющих собой полупроводниковый диод, приме­ няемый в качестве конденсаторов переменной емкости.

Диффузионная емкость перехода. Приложенное к перехо­ ду прямое напряжение приводит к росту прямого тока и уве­ личению концентрации неравновесных носителей — дырок в базовой области. Это явление схоже с процессами в конденса­ торе, на обкладках которого изменение зарядов пропорцио­ нально изменению приложенного напряжения.

Емкость, определяющаяся отношением изменения вели­ чины инжектированного заряда в базе к изменению прило­ женного напряжения, носит название диффузионной емкости:

Диффузионная емкость перехода Сд учитывает эффект накопления носителей в базе. Она зависит от величины пря­ мого тока:

(2.17)

Фт Ki

При прямых смещениях барьерная емкость меньше диффу­ зионной, ее можно не учитывать. При обратных смещениях диффузионная емкость практически равна нулю, и следует учитывать лишь барьерную емкость перехода.

Контрольные вопросы

1.Дать определение электронно-дырочного перехода.

2.Как образуется вблизи контакта двойной слой пространственного заряда?

3.За счет чего в приконтактном слое концентрация основных носите­ лей заряда уменьшается по сравнению с концентрацией в основной толще полупроводника ?

4.Пояснить направление дрейфового и диффузионного токов через

р—л-переход.

5.За счет чего происходит эффект выпрямления в р—л-переходе?

6.Дать физическое определение эмиттерной и базовой областям по­ лупроводника?

7.Дать определение уровня инжекции полупроводника.

8.Нарисовать и пояснить ход вольт-амперной характеристики р—л- перехода.

9.Пояснить сущность температурного коэффициента напряжения.

10.Дифференциальное сопротивление прямой и обратной ветви р—л- перехода.

11.Пояснить физическую сущность пробоя р—л-перехода. Разновид­ ности пробоя.

12.Барьерная емкость р—л-перехода: от чего она зависит и где ис­ пользуется.

13.Физическая сущность диффузионной емкости.

14.В каких случаях учитываются барьерная и диффузионная емкости?

Выпрямительные диоды. Предназначены дня выпрямле­ ния переменного тока низкой частоты. Предельная рабочая частота выпрямительных диодов до 200 кГц. Например, для кремниевого диода с барьером Шотки 2Д2998.

Вольт-амперная характеристика реального диода, напри­ мер германиевого Д7Е (рис. 3.1) или кремниевого Д209 (рис. 3.2), лишь с некоторым приближением описывается зависимо­ стью (2.8).

На большом участке характеристики прямой ток диода может быть значительно ниже теоретически возможного, а обратный ток — больше тока насыщения. Прямая ветвь хара­ ктеристики близка к экспоненте лишь при сравнительно не­ больших уровнях инжекции. Главной причиной (помимо тока рекомбинации), обусловливающей отличие прямых Ветвей вольт-амперных характеристик реального и идеального дио­ дов, является наличие определенного сопротивления базовой области Гб, которое у реальных диодов имеет величину от 1-2 до 20-30 Ом, и модуляции этого сопротивления (при прохож­ дении прямого тока на сопротивлении п возникает падение напряжения /гб, снижающее t/np).

Наличие прямого напряжения снижает величину потен­ циального барьера и последний перестает влиять на величину протекающего через переход прямого тока. Прямой ток будет при этом определяться лишь сопротивлением высокоомной базы и линейно зависеть от приложенного напряжения. Этот участок характеристики диода называется омическим и со­ ставляет в большинстве случаев основную ее рабочую об­ ласть. Вырождение экспоненциальной зависимости в линей­ ную происходит при сравнительно малых токах.

Обратный ток диода растет с увеличением обратного на­ пряжения. Главными причинами различия обратных ветвей характеристики реального и идеального диодов являются ток термогенерации в объеме и на поверхности перехода и ток утечки по поверхности перехода. В германиевых диодах при комнатной температуре ток термогенерации мал и обратный ток близок к току насыщения. В кремниевых диодах при ком­ натной температуре ток термогенерации является основной составляющей обратного тока.

Ток утечки кремниевых диодов при комнатной темпера­ туре в ряде случаев превышает сумму токов насыщения и термогенерации. Поэтому полный обратный ток кремниевого диода меньше обратного тока германиевого диода всего на 2- 3 порядка.

Для практических расчетов прямую ветвь характеристики реального диода можно аппроксимировать ломаной линией (рис. 3.3)

/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / У

пературы прямое и об­ ратное сопротивления уменьшаются. Наиболее сильно с повышением те­ мпературы меняется об­ ратный ток и соответст­ венно обратное сопроти­ вление диода постоянно­ му току.

Высоко- и сверхвы­ сокочастотные диоды.

Высокочастотные диоды могут работать в различных схемах преобразования электри­

ческих сигналов вплоть до частот порядка нескольких сотен мегагерц. У этих диодов в большинстве случаев используется точечный переход. Такой диод называется точечным. Для изготовления точечных диодов применяются полупроводники л-типа, которые обладают лучшими свойствами для формов­ ки точечного контакта.

Типичная вольт-амперная характеристика точечного дио­ да представлена на рис. 3.4. Обратная ветвь значительно от­ личается от характеристики обычного плоскостного диода. Обратный ток мал, участок насыщения не велик и не так рез­ ко выражен. При увели­ чении обратных напря­ жений обратный ток поч­ ти равномерно возраста­ ет за счет токов термо­ генерации и утечки. В области пробоя характе­ ристика имеет участок с отрицательным сопроти-

влением. Влияние температуры на величину обратного тока сказывается слабее, чем в плоскостных переходах (удвоение обратного тока происходит при приращениях температуры на 15-20 °С). Диоды Шотки (точечный контакт металл — полу­ проводник) применяются в видео и измерительных детекто­ рах, смесительных детекторах СВЧ-диапазона.

Полупроводниковые стабилитроны. Полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического про­ боя слабо зависит от тока, называется полупроводниковым стабилитроном (или опорным диодом). Рабочим участком характеристики стабилитрона является область пробоя об­ ратной ветви вольт-амперной характеристики перехода, ко­ торая почти параллельна оси токов, а рабочим напряжением

— напряжение пробоя (рис. 3.5). При ограничении проте­ кающего тока резистором R (рис. 3.6) состояние пробоя в ста­ билитроне может поддерживаться и воспроизводиться в тече­ ние десятков тысяч часов. Величина стабилизирующего на­ пряжения зависит от полупроводникового материала и тех­ нологии его обработки. Полупроводниковые стабилитроны обычно изготавливают на основе кремния.

У стабилитронов с малым рабочим напряжением (до 3-4 В), которые изготавливаются из низкоомного материала, возни­ кает туннельный пробой. У стабилитронов с рабочими напря­ жениями более 7 В (более высокоомные) возникает лавинный пробой. У стабилитронов с рабочими напряжениями 3-7 В пробой определяется совместным воздействием туннельного и лавинного механизмов.

Основными параметрами полупроводниковых стабили­ тронов являются:

1)напряжение стабилизации Ucr — падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номи­ нальном значении тока; величина Ucr зависит от поло­ жения рабочей точки стабилитрона;

2)ток стабилизации /ст — ток стабилитрона в области стабилизации;

3)динамическое (дифференциальное) сопротивление Ra\

величина Ra характеризует степень стабилизации на­ пряжения при изменении тока пробоя;

4)температурный коэффициент напряжения (ТКН) — отношение относительного приращения напряжения стабилизации к абсолютному приращению темпера­ туры окружающей среды,выражается в процентах;

5)наибольшая рассеиваемая мощность Рмакс, при повыше­ нии температуры свыше 75-90 °С снижается линейно;

6)наибольший ток стабилизации /ст. макс.

С изменением температуры напряжение пробоя, а следо­ вательно, и напряжение стабилизации изменяются.

Величина ТКН зависит от t/CT. Низковольтные стабили­ троны имеют отрицательный ТКН. У высоковольтных стаби­ литронов с ростом температуры напряжение стабилизации увеличивается, а ТКН имеет положительный знак и несколь­ ко возрастает с ростом £/ст. Изменение знака ТКН происходит при напряжениях стабилизации порядка 5,4 В (рис. 3.7).

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабили­ трона имеет такой же вид, как и у обычного диода. Падение прямого напряжения при токах, больших 1 мА, составляет около 0,74-0,8 В.

Обратное сопротивление стабилитрона составляет нес­ колько мегаом. При переходе в область пробоя это сопротив­ ление уменьшается в десятки тысяч раз. Динамическое сопро­ тивление стабилитрона невелико, оно возрастает с ростом на­ пряжения стабилизации от нескольких ом до нескольких де­ сятков ом. При уменьшении тока стабилизации до значения ниже наименьшего величина сопротивления Ra возрастает (рис. 3.8). Кроме того, при малых (0,5-1 мА) токах возрастают собственные шумы стабилитронов:

t/дейст. шумов = 24-8 мВ.

Туннельные диоды. Это полупроводниковый диод, в ко­ тором используется туннельный механизм переноса носите­ лей заряда через р—«-переход и в характеристике которого имеется область отрицательного дифференциального сопро­ тивления (рис. 3.9). Туннельные диоды отличаются очень ма­ лым удельным сопротивлением р- и «-областей (содержание примесей до 1021 см”3) и очень малой толщиной перехода.