Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Шпоры по ТТЭ - файл ГЛАВА 4.doc


Загрузка...
Шпоры по ТТЭ
скачать (3670.4 kb.)

Доступные файлы (14):

ГЛАВА 10.doc3655kb.15.01.2005 00:00скачать
ГЛАВА 12.doc4472kb.15.01.2005 00:09скачать
ГЛАВА 14.doc1723kb.15.01.2005 00:31скачать
ГЛАВА 16.doc489kb.15.01.2005 00:52скачать
ГЛАВА 18.doc2195kb.15.01.2005 01:20скачать
ГЛАВА 1.doc41kb.13.01.2005 18:16скачать
ГЛАВА 20.doc492kb.15.01.2005 01:44скачать
ГЛАВА 2.doc718kb.13.01.2005 19:41скачать
ГЛАВА 3.doc7420kb.13.01.2005 22:41скачать
ГЛАВА 4.doc233kb.13.01.2005 23:04скачать
ГЛАВА 5 .doc6394kb.14.01.2005 14:44скачать
ГЛАВА 6.doc476kb.14.01.2005 14:59скачать
ГЛАВА 7.doc804kb.14.01.2005 23:05скачать
ГЛАВА 8.doc1338kb.14.01.2005 23:12скачать

ГЛАВА 4.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...

ГЛАВА 4

РАЗНОВИДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

4.1. Классификация


Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам:

  • методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шотки и др.;

  • материалу: германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др.;

  • физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна и др.;

  • назначению: выпрямительные, универсальные, импульс­ные, стабилитроны, детекторные, параметрические, смеситель­ные, СВЧ-диоды и др.

Некоторые из указанных типов диодов по назначению будут рас­смотрены в настоящей главе, а другие – в соответствующих разде­лах учебного пособия.

^

4.2. Выпрямительные диоды


Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения промышленной час­тоты (50 или 400 Гц) в постоянное. Основой диода является обыч­ный р-n-переход. В практических случаях р-n-переход диода имеет достаточную площадь для того, чтобы обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений ди­од обычно выполняется из высокоомного материала.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:

  • максимальный прямой ток .

  • обратный ток при заданном обратном напряжении (значе­ние обратного тока германиевых диодов на два – три порядка боль­ше, чем у кремниевых);

  • падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока Inp(Unp0,3...0,7 В для германиевых диодов и Unp0,8…1,2 В – для кремниевых);

  • максимально допустимое постоянное обратное напряже­ние диода (для германиевых диодов до 400 В, кремние­вых до 1000 В);

  • барьерная емкость диода при подаче на него обратного напря­жения некоторой величины;

  • диапазон частот, в котором возможна работа диода без суще­ственного снижения выпрямленного тока;

  • рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне –60...+70°С, кремниевые – в диапазоне –60...+150°С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды ма­лой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3, от 0,3 до 10 и свыше 10 А соответственно.

Для работы на высоких напряжениях (до 1500 В) предназначе­ны выпрямительные столбы, представляющие собой последова­тельно соединенные р-n-переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие до 1 А и до 600В.

При протекании больших прямых токов и определенном паде­нии напряжения на диоде в нем выделяется большая мощность. Для отвода данной мощности диод должен иметь большие размеры р-n-перехода, корпуса и выводов. Для улучшения теплоотвода ис­пользуются радиаторы или различные способы принудительного охлаждения (воздушное или даже водяное).

Среди выпрямительных диодов следует выделить особо диод с барьером Шотки. Этот диод характеризуется высоким быстродейст­вием и малым падением напряжения (<0,6 В). К недостаткам ди­ода следует отнести малое пробивное напряжение и большие об­ратные токи.

^

4.3. Стабилитроны и стабисторы


Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на об­ратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимо­стью тока от напряжения (рис. 4.1), т.е. с большим значением крутиз­ны . Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для соз­дания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации равно напряжению пробоя р-n-перехода при некотором заданном токе стабилиза­ции . Стабилизирующие свойства ха­рактеризуются дифференциальным со­противлением стабилитрона , которое должно быть возможно меньше. Температурная зависимость напряже­ния стабилизации характеризуется тем­пературным коэффициентом напряже­ния , где dТ и d – изменения температуры и напряжения. Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: от 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А; от 0,05 до 0,15 %/К; от долей и единиц ома (у мощных стабилитронов) до сотен и даже тысяч ом (у высоковольтных маломощных стабилитро­нов). Особую группу составляют прецизионные стабилитроны, име­ющие до 0,0005 %/К, т.е. в сотни раз ниже, чем обычные. Их ис­пользуют в качестве источников опорного напряжения.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные р-n-переходы.

^

4.4. Универсальные и импульсные диоды


Они применяются для преобразования высокочастотных и им­пульсных сигналов. В данных диодах необходимо обеспечить мини­мальные значения реактивных параметров, что достигается благо­даря специальным конструктивно-технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью (см. § 3.7, 3.8). Для уменьшения времени жизни используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в за­прещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации.

Разновидностью универсальных диодов является диод с корот­кой базой. В таком диоде протяженность базы меньше диффузион­ной длины неосновных носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носи­телей в базе, а фактическим меньшим временем нахождения (вре­менем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади р-n-перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площа­ди являются маломощными.

В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n-структурой, в которой две сильнолегированные области р- и n-типа разде­лены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i-области. Распределение электричес­кого поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного p-n-перехода). Таким образом, i-область с низ­кой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектриче­ской проницаемостью можно принять за конденсатор, «обкладками» которого являются узкие (из-за большой концентрации носителей в р- и n-областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная ем­кость p-i-n-диода определяется размерами i-слоя и при достаточно широкой i-области от приложенного постоянного напряжения прак­тически не зависит.

Особенность работы р-i-n-диода состоит в том, что при прямом напряжении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов из n-области в i-область. При этом его прямое со­противление резко падает. При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i-области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротив­ления i-области по сравнению с равновесным состоянием. Поэтому для p-i-n-диода характерно очень большое отношение прямого и об­ратного сопротивлений, что важно при использовании их в переклю­чательных режимах.

В качестве высокочастотных универсальных диодов использу­ются структуры с барьерами Шотки и Мотта. В этих приборах про­цессы прямой проводимости определяются только основными носи­телями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутст­вует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасы­ванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие вы­сокочастотные свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шотки состоит в том, что тон­кий i-слой создан между металлом М и сильно легированным полу­проводником , так что получается структура M-i-n. В высокоомном i-слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщи­на обедненного слоя в -области очень мала и не зависит от напря­жения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от на­пряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шотки, которые в отличие от р-n-перехода почти не накаплива­ют неосновных носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления (около 100 пс).

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоп­лением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обрат­ного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму (рис. 4.2). При этом значение может быть значительным, но должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Получение малой длительности связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя р-n-перехода путем неравномерного распре­деления примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришед­ших через обедненный слой при пря­мом напряжении, и поэтому препятст­вует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их компактнее концентрироваться вблизи грани­цы. При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способство­вать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехо­да. В момент , когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный за­ряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время спадания обратно­го тока до значения .

4.5. Варикапы


Варикапом называется полупроводниковый диод, используе­мый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем исполь­зуется свойство р-n-перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шотки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

Основное применение варикапов – электрическая перестройка частоты колебательных контуров. В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и ум-ножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах ис­пользуется и диффузионная емкость.

^

4.6. Туннельные и обращенные диоды


Туннельными являются полупроводниковые диоды, в которых используется тун­нельный эффект, приводящий к появлению на прямой ветви ВАХ участка с отрица­тельным дифференциальным сопротивлением (рис. 4.3). Они используются и в каче­стве сверхскоростных переключателей. Эти диоды изготовляют из сильнолегирован­ных (вырожденных) арсенида галлия или германия. Ширина обедненного слоя р-n-перехода туннельных диодов из-за боль­шой концентрации примеси очень мала (около 10 нм, т.е. в сотни раз меньше, чем у других диодов). Кроме того, уровни Ферми вырожденных областей находятся в зоне проводимости и валентной зоне. Теория и экс­перимент показывают, что при обратных и небольших (около 100...200 мВ) прямых напряже­ниях появляется дополнитель­ный ток, объясняемый кванто­вой природой туннельного эф­фекта. При этом эффекте час­тица (электрон) способна пройти сквозь потенциальный барьер без изменения своей энергии на свободный энергетический уровень.

На рис. 4.3 кроме ВАХ показаны зонные диаграммы, соответствующие характер­ным точкам ВАХ, и указаны направления движения носителей. При увеличении пря­мого напряжения туннельный ток вначале возрастает и достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении туннельный ток убывает до нуля, но при этом начинает увеличиваться прямой ток, соответствующий инжекции носителей и опре­деляемый прохождением над потенциальным барьером. Таким образом, прямой ток туннельного диода представляет собой сумму сначала нарастающего, а затем пада­ющего до нуля при увеличении U туннельного тока и обычного, связанного с инжекцией, т.е. диффузионного тока. В результате этого на ВАХ появляется участок спада прямого тока (М-образная ВАХ). При подаче обратного напряжения туннельный об­ратный ток резко возрастает, приводя к туннельному пробою (см. § 3.5.3).

Туннельный эффект развивается за 10-14...10-13c, поэтому туннельные диоды могут использоваться на СВЧ. Частотный предел работы таких диодов ограничивает­ся только собственными реактивностями (ем­костями р-n-перехода и корпуса), а также инду­ктивностью вывода.

Туннельный диод представляет собой полу­проводниковый прибор, работающий при малых напряжениях (десятые доли вольта) и относи­тельно небольших токах (единицы миллиампер).

При снижении степени легирования одной из областей сильнолегированного р-n-перехода тун­нельный эффект проявляется слабо и туннель­ный ток прямой ветви ВАХ становится незначи­тельным. Диоды, обладающие большим туннель­ным обратным и малым туннельным прямым то­ками, называются обращенными (рис. 4.4) и используются в схемах переключения в наносекундном и пикосекундном диапазонах, а так­же для детектирования СВЧ-сигналов.

Основными параметрами ВАХ туннельных диодов являются:

  • пиковый ток и ток впадины – прямые токи в точках максимума и минимума ВАХ, а также соответствующие этим токам напряжения пика и впадины ;

  • напряжение раствора (раскрыва) , при котором ток при увеличении прямо­го напряжения становится равным пиковому току ;

  • отрицательное дифференциальное сопротивление (десятки – сотни ом). Для туннельных диодов из германия / =4...6, =40...100MB, =300...450 мВ, а из арсенида галлия / до 10 и выше, = 100...200 мВ, =400...600 мВ.



^

4.7. Шумы полупроводниковых диодов


Ток, протекающий через p-n-переход, может быть представлен алгебраическойсуммой встречных токов:

(4.1)

где – ток основных носителей, преодолевших потенциальный барьер; – ток неос­новных носителей, для которых переход не является барьером.

Каждый из токов, фигурирующих в (4.1), может быть разбит на среднюю и шумо­вую составляющие,,. С учетом этого из (4.1) следует связь шумовых токов

(4.2)

причем средние составляющие и связаны соотношением (3.40):

(4.3)

Поскольку шумы и статистически независимы (токи шумов движутся через барьер из разных областей перехода), то средний квадрат шума результирующего тока с учетом этого и в соответствии с (4.2) находится суммированием средних квад­ратов шумовых токов и :

(4.4)

Величины и определяются по формуле дробового шума (см. Приложение, (П1.11),т.е.



Используя это в (4.4), находим

(4.5)

Но из (4.3) следует , что позвляет переписать (4.5) следующим об­разом:

(4.6)

Эта формула широко используется при анализе шумов приборов, содержащих р-n-переходы: диодов и транзисторов. Отметим, что она получена при рассмотрении неравновесного состояния, т.е. в условиях протекания тока через переход, к которому подведено напряжение от внешнего источника. Именно в этих условиях шум тракту­ется как дробовый. При равновесии (U = 0) результирующий ток через переход = 0 и из (4.6) следует:

(4.7)

Можно показать, что природа шума перехода в этом случае тепловая. Действи­тельно, из (4.3) дифференциальная проводимость диода при равновесии с учетом того, что . Это позволяет выразить через : . Подстановка в (4.7) приводит к результату

(4.8)

что совпадает с формулой теплового шумя (резистора с проводимостью (сравнить с (П1.8) при R=1/).

Заметим, что формула (4.6) справедлива для относительно низких частот, на ко­торых не проявляется частотная зависимость дифференциальной проводимости пе­рехода. Более общей является предложенное Ван-дер-Зилом соотношение [35]

(4.9)

где g – зависящая от частоты дифференциальная проводимость перехода. На низких частотах g и последний член в правой части (4.9) исчезает.

В полупроводниковых диодах кроме рассмотренного дробового шума на низких частотах приходится учитывать генерационно-рекомбинационный шум (П1.12), избы­точный шум (П 1.15) и тепловые шумы омических сопротивлений областей и контак­тов. Влияние тепловых шумов можно в значительной степени уменьшить охлаждени­ем диодов. Лавинные шумы (П1.14) в случае лавинного пробоя при большом значе­нии коэффициента М могут значительно превысить дробовые шумы.


Скачать файл (3670.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru