Реферат: Полупроводниковые нелинейные элементы: полупроводниковые диоды

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 U_AK = 0 существует баланс диффузионной и дрейфовой составляющих токов через переход

i_диф = i_др = I_S (T)

I_пр = I_обр

I _ = I_пр - I_обр = 0

При прямом смещении р-n - перехода U_AK > 0 появляется прямой ток, определяемый основной диффузионной составляющей

I_пр = i_диф – i_др >0

При U_AK < 0 появляется обратный ток, определяемый дрейфовой состовляющей

I_обр = i_др - i_диф > 0.

Т.к. p-n - переход при обратном смещении закрывается из-за увеличения ширины ОПЗ и i_диф → 0 , то I_обр = i_др = I_S (T).

Поскольку диффузионная составляющая тока через p-n - переход хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией вида

i_диф = I_S (T)e^UAK/mUT ,

а дрейфовая составляющая описывается как i_др = I_S (T) , то исходя из того, что при U_AK > 0

I_пр = i_диф – i_др = I_S (T)e^UAK/mUT - I_S (T)

получим выражение I_пр = I_S (T)(e^UAK/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 I_S (T) - тепловой ток, определяющий масштаб ВАХ диода. Термин "тепловой" отражает сильную температурную зависимость тока I_S (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 >> mU_T обратный ток диода равен - I_S (T) и не зависит от U_AK . Обычно для германиевых диодов I_S 1 - 0.1 мкА, а для кремниевых I_S 1 - 0.1 пА.

mU_T - 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 mU_T = 300 мВ для Ge-диодов и 600 мв для Si-диодов.

I_S (T) и U_T зависят от Т, что приводит, в общем, к отрицательной температурной зависимости прямого напряжения на диоде U_AK от температуры. Температурный коэффициент прямого напряжения на переходе имеет отрицательное значение:

I_пр = I _О (e(U_AK - aD T)/mU_{T -} 1) .

Смысл последнего выражения заключается в том, что для того, чтобыопределить значение I_пр при увеличении Т , но при этом не вычисляя новое значение I_S ( T) , которое также должно увеличится, необходимо значение U_AK с учетом отрицательного температурного коэффициента a увеличить на 2 мВ на каждый градус К . Это будет удобно для дальнейших расчетов I_пр , когда при условно принятом I_S ( T) =const его значение I_S ( 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 U_вх с амплитудой U_m , тона резисторе нагрузки R_Н будет выделяться выходное напряжение U_вых , соответствующее только одному полупериоду U_вх . Амплитуда положительного полупериода будет равна U_m , а амплитуда отрицательного полупериода будет зависить от I_обр .

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 А_{вых Ме} > A_{вых 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 А_{вых Ме} < A_{вых 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 F_раб = 3-15 ГГц).

Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, обладающие большой крутизной обратной ветви ВАХ (рис. 6) в области напряжения лавинного пробоя U_проб .

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 изменение тока DI , 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 I_ст ограничивают с помощью ограничительного резистора R_огр :

,

Стабисторы - те же стабилитроны, но используют прямую ветвь ВАХ для стабилизации малых напряжений (U_ст ≈ 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 U_AK = 0 на Si-диоде ширина p-n-перехода равна l₀ = 0,6 мкм, на Ge - 0,4 мкм. При увеличении обратного напряжения U_AК 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 j_Fp - j_Fn 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 j_Fn 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.