Определение электронных приборов. Классификация электронных приборов 3 глава

Здесь , – ёмкости перехода, , – сопротивления p-n-перехода и утечки, – сопротивление р- и n- областей и выводов.

2.12. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Работа выпрямительных диодов основана на использовании вентильного эффекта – односторонней проводимости p-n-перехода. Наибольшее применение нашли кремниевые, германиевые, диоды с барьером Шотки.

В зависимости от величины выпрямляемого тока различают диоды малой мощности (I_{пp max}<0,3 A) и средней мощности (0,3 A< I_{пp max} 10 A). Для получения таких значений выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные p-n-переходы. Получающаяся при этом большая ёмкость p-n-перехода существенного влияния на работу не оказывает в связи с малыми рабочими частотами.

На рис. 2.15 приведены вольт-амперные характеристики германиевых и кремниевых диодов. Вследствие различной ширины запрещённой зоны германия и кремния обратный ток германиевых диодов на 2-3 порядка больше, чем кремниевых, а допустимое обратное напряжение кремниевых диодов больше, чем германиевых. По этой причине в германиевых диодах раньше наступает тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла, а в кремниевых диодах наступает электрический пробой. На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры увеличивается частота генерации носителей зарядов, и увеличиваются прямой и обратный токи диодов.

Промышленностью выпускается широкая номенклатура германиевых и кремниевых диодов на токи до 500 А и обратные напряжения до 1000 В.

При необходимости получения больших напряжений диоды соединяют последовательно. Для устранения разброса величины обратного сопротивления прибегают к шунтированию каждого диода цепочки высокоомным резистором. Для получения высокого выпрямленного тока можно применить параллельное включение диодов; при этом необходимо выравнивать токи диодов, для чего последовательно с каждым из диодов включается резистор.

б

а

На рис. 2.16 приведена схема (а) и графики (б) напряжений и токов двухполупериодного мостового выпрямителя. В выпрямителе используется 4 диода, которые попарно включены в проводящем направлении.

2.13. Полупроводниковые стабилитроны

Режим электрического пробоя p-n-перехода находит практическое применение для стабилизации напряжения. Такие приборы называются стабилитронами. Для изготовления стабилитронов используется кремний. Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 2.17. Для работы используется обратная ветвь, где значительному изменению тока соответствует малое изменение напряжения. Точка А соответствует устойчивому пробою и определяет величину минимального тока I_min. После точки А ток резко возрастает и допустимая величина его I_max ограничивается лишь мощностью рассеяния :

, (2.68)

где – напряжение стабилизации.

Любому изменению тока относительно рабочей точки соответствует определённое изменение напряжения. Чем меньше величина этого изменения, тем лучше качество стабилизации, которое можно определить дифференциальным сопротивлением . Рабочую точку на характеристике выбирают посередине рабочего участка, т.е.

, (2.69)

где – ток стабилизации.

Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя p-n-перехода, зависит от концентрации примесей и лежит в пределах 4 – 200 В.

Схема простейшего стабилизатора с использованием стабилитрона показана на рис. 2.18.

Резистор r является гасящим и одновременно задаёт рабочую точку. Величина сопротивления r должна быть значительно больше величины дифференциального сопротивления стабилитрона.

При изменении температуры напряжение стабилизации может изменяться. Это изменение необходимо учитывать при использовании стабилитронов в прецизионных стабилизаторах.

Параметры стабилитронов:

Напряжение стабилизации U_{ст. ном} – падение напряжения на стабилитроне при номинальном значении тока I_ст. Минимальный и максимальный ток стабилизации I_{ст min}, I_{ст max}. Дифференциальное сопротивление . Статическое сопротивление в рабочей точке . Коэффициент качества стабилитрона . Температурный коэффициент напряжения стабилизации – отношение относительного изменения напряжения стабилизации к изменению температуры , .

Зависимость температурного коэффициента от напряжения стабилизации приведена на рис. 2.19. При напряжениях меньше 5 В, соответствующих узким p-n-переходам, где преобладает туннельный пробой, ТКU отрицателен.

Для напряжений выше 6 В, соответствующих широким переходам, ТКU положителен, т.к. с ростом температуры подвижность носителей заряда в переходе снижается и для лавинного пробоя необходима большая величина напряжённости электрического поля. Для компенсации температурного дрейфа напряжения стабилизации используют последовательное включение со стабилитроном термозависимого резистора с обратным температурным коэффициентом, а также прямое включение полупроводникового диода.

Для стабилизации малых значений напряжений (U<1 В) применяются стабисторы, у которых на прямой ветви вольт-амперной характеристики наблюдается слабая зависимость напряжения от величины проходящего тока (рис. 2.20). Лучшие параметры имеют стабисторы, изготовленные из селена. Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n-переходы.

2.14. Импульсные диоды

Импульсный полупроводниковый диод – это диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для работы в импульсных режимах работы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов электронных схем, детектирования высокочастотных сигналов и др.

Переходные процессы в диодах связаны в основном с двумя явлениями, происходящими при быстром изменении напряжения на диоде или тока через диод.

Первое из них – это накопление неосновных носителей заряда в базе при его прямом включении и их рассасывание при уменьшении напряжения.

Второе явление – это перезарядка барьерной ёмкости, что также влияет на свойства диода.

При больших плотностях прямого тока переходные процессы определяются в основном накоплением неосновных носителей в базе, а перезарядка барьерной ёмкости является второстепенным процессом.

При малых плотностях тока существенное влияние на переходные процессы оказывает перезарядка барьерной ёмкости. Напряжение и ток, характеризующие переходные процессы в диоде, зависят также от сопротивления внешней цепи, в которую включён диод.

На рис. 2.21 показаны графики переходных процессов в диоде с высоким уровнем инжекции для двух случаев, когда сопротивление источника сигнала много меньше сопротивления диода (см. рис. 2.21, а) и много больше сопротивления диода (см. рис. 2.21, б).

В момент t₁ при включении прямого импульса тока сопротивление базы определяется равновесной концентрацией заряда и на диоде будет максимальное падение напряжения . По мере насыщения базы инжектированными носителями её сопротивление уменьшается, что приведёт в момент времени _­ к уменьшению падения напряжения на диоде до установившегося .

Промежуток времени с момента подачи импульса тока до момента, когда напряжение на диоде уменьшится до , называется временем установления прямого напряжения (см. рис. 2.21, а).

При выключении прямого тока падение напряжения на сопротивлении базы становится равным нулю и напряжение на диоде уменьшается.

б

а

При переключении диода с прямого напряжения на обратное в начальный момент через диод идёт большой обратный ток, создаваемый неосновными носителями в базе, накопленными вблизи p-n-перехода при прямом напряжении.

Этот ток ограничивается в основном объёмным сопротивлением базы и нагрузки, поэтому некоторое время обратный ток остаётся постоянным (при идеальном генераторе напряжения). С течением времени накопленные в базе неосновные носители заряда рекомбинируют или уходят из базы через p-n-переход, после чего обратный ток уменьшается до своего стационарного значения.

Интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода с прямого тока в состояние заданного обратного напряжения до момента достижения обратным током заданного значения называется временем восстановления обратного сопротивления (см. рис. 2.21, б).

Время установления прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления определяют быстродействие диода, поэтому их стремятся уменьшать.

Производство импульсных диодов основано на современных производительных и контролируемых методах формирования p-n-перехода с использованием планарной технологии, эпитаксиального наращивания, а также ионно-лучевой технологии. Основными исходными материалами служат кремний и арсенид галлия.

Для ускорения переходных процессов и увеличения быстродействия в исходный полупроводник вводят примесь, например золото, уменьшающую время жизни неосновных носителей.

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоплением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обратного тока (сопротивления). Импульс обратного тока имеет почти прямоугольную форму (рис. 2.22). При этом значение может быть значительным, но должно быть чрезвычайно малым. Получение малой длительности связано с созданием внутреннего электрического поля в базе около обеднённого слоя p-n-перехода путём неравномерного распределения примесей. Это поле является тормозящим для неосновных носи-телей, пришедших при прямом напряжении, и поэто-
му препятствует уходу инжектированных носителей от границы обеднённого
слоя, заставляя их накапливаться, концентрироваться вблизи границы. При подаче обратного напряжения на диод внутреннее поле будет способствовать дрейфу неосновных носителей и обеднению слоя p-n-перехода. При этом время спадания обратного тока оказывается малым.

В качестве импульсных диодов используются диоды с барьером Шотки (ДБШ), выполненные на основе контакта металл-полупроводник. В этих диодах процессы прямой проводимости определяются только основными носителями заряда. В них отсутствует диффузионная ёмкость, связанная с накоплением и рассасыванием носителей заряда в базе, чем определяются хорошие высокочастотные свойства. Инерционность диодов Шотки в основном определяется ёмкостью выпрямляющего контакта, которая может быть меньше 0,01 пФ.

Широкое применение в качестве переключающих получили диоды с p-i-n-структурой, в которой сильнолегированные области p- и n-типа разделены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). i-область с низкой концентрацией примеси можно рассматривать как конденсатор, обкладками которого служат узкие (из-за большой концентрации носителей в p- и n-областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная ёмкость p-i-n‑диода определяется размерами i-слоя и практически не зависит от приложенного постоянного напряжения.

При прямом напряжении вследствие инжекции дырок и электронов прямое сопротивление мало, а при обратном – резко возрастает по сравнению с равновесным состоянием. Поэтому для p-i-n-диодов характерно очень большое отношение прямого и обратного сопротивлений, что важно при использовании их в переключающих режимах.

2.15. Варикапы

Варикапами называются полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость барьерной ёмкости p-n-пе-
рехода от обратного напряжения. Электрический переход варикапов имеет структуру типа p⁺-n-n⁺, p-i-n, МДП и др.

Варикапы применяют в устройствах управления частотой колебательного контура, в параметрических схемах усиления, деления и умножения частоты, в схемах частотной модуляции, управляемых фазовращателях и др. Предпочтение отдаётся варикапам на основе барьерной ёмкости p-n-перехода.

а

На рис. 2.23 приведены вольт-фарадная характеристика варикапа (см. рис. 2.23, а) и схема замещения (см. рис. 2.23, б).

б

Варикапы в основном используются на высоких и сверхвысоких частотах, поэтому важную роль играет сопротивление потерь r_б. Для его уменьшения необходимо выбирать материал с малым удельным сопротивлением. Используются кремний, германий, арсенид-галлия n-типа.

На рис. 2.24 приведена одна из схем включения варикапа.

Изменение ёмкости варикапа приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура.

Основными параметрами варикапа являются:

– минимальная ёмкость – ёмкость варикапа при заданном максимальном обратном напряжении;

– максимальная ёмкость варикапа – ёмкость при заданном минимальном напряжении;

– коэффициент перекрытия по ёмкости ;

– температурный коэффициент ёмкости ТКЕ – отношение относительного изменения ёмкости к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды ;

– сопротивление перехода включает сопротивление в токоведущих элементах и потери в p-n-переходе.

– добротность варикапа Q – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте сигнала к сопротивлению потерь. Она показывает потери колебательной мощности в варикапе:

. (2.70)

Добротность варикапа на низких частотах определим из выражения

. (2.71)

На высоких частотах:

. (2.72)

Зависимости добротности от частоты для варикапов из Si и GaAs приведены на рис. 2.25.

Максимальная добротность соответствует частоте, на которой производная .

Оптимальная добротность определяется из выражения

. (2.73)

Оптимальная частота :

. (2.74)

Для увеличения добротности отношение должно быть максимальным. Для повышения используют полупроводники с широкой запрещённой зоной (GaAs). Для уменьшения базу диода делают двухслойной p⁺-n-n⁺ без уменьшения пробивного напряжения диода. С повышением температуры добротность варикапа уменьшается, т.к. возрастает сопротивление .

2.16. Туннельные и обращённые диоды

Принцип работы туннельного диода (TД) основан на явлении туннельного эффекта в p-n-переходе, образованном вырожденными полупроводниками. Это приводит к появлению на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением при прямом напряжении.

Концентрация примесей в p- и n- областях выбирается порядка 10²⁰ см^-3, следствием чего является малая толщина перехода (порядка 0,01 мкм). Локальные уровни примесей образуют в вырожденных полупроводниках сплошную зону. Уровни Ферми , располагаются соответственно в валентной зоне p-области и в зоне проводимости n-области. В состоянии термодинамического равновесия зона проводимости n-полупроводника и валентная зона p-полупроводника перекрываются на величину .

Известно, что частица, имеющая энергию, недостаточную для преодоления потенциального барьера, может пройти сквозь него, если с другой стороны этого барьера имеется свободный энергетический уровень, который она занимала перед барьером. Это явление называется туннельным эффектом. Чем уже потенциальный барьер и чем меньше его высота, тем больше вероятность туннельного перехода. Туннельный переход совершается без затраты энергии.

а

Вольт-амперная характеристика туннельного диода показана на рис. 2.26, а.

г

в

б

Для рассмотрения влияния туннельного эффекта на вольт-амперные характеристики диода необходимо привести энергетические диаграммы
p-n-перехода для различных значений приложенного напряжения (рис. 2.26, б-з).

з

ж

е

д

При построении зонных диаграмм предполагаем, что все энергетические уровни в зоне проводимости от дна зоны до уровня Ферми заполнены электронами, а все уровни выше уровня Ферми свободны (нет штриховки). В валентной зоне p-области все энергетические уровни от потолка зоны до уровня Ферми считаем свободными от электронов, а все уровни ниже уровня Ферми заполненными. Исходя из этого, при ток через диод протекать не будет, т.к. свободным уровням в одной области соответствуют на той же высоте свободные уровни в другой области. При увеличении прямого напряжения уровень Ферми в n-области выше, чем в p-области и поток электронов переходит из n-области в p-область. Величина этого прямого тока определяется степенью перекрытия свободных уровней в валентной зоне и заполненных уровней в зоне проводимости. С увеличением прямого напряжения это перекрытие расширяется и при туннельный ток достигает максимального значения. При дальнейшем росте прямого напряжения туннельный ток начинает убывать, т.к. перекрытие уровней сокращается и уменьшается число переходов электронов в p-область. При напряжении потолок валентной зоны совпадает с дном зоны проводимости, перекрытие зон прекращается и туннельный ток становится равным нулю.

При этом напряжении появляется обычный диффузионный ток инжекции через p-n-переход. С увеличением прямого напряжения прямой ток будет возрастать, как и в обычных выпрямительных диодах.

При обратном напряжении опять возникают условия для туннельного перехода электронов с заполненных уровней валентной зоны p-области на свободные уровни зоны проводимости n-области. Через диод потечёт обратный ток в направлении от n-области к p-области. Туннельный диод обладает относительно высокой проводимостью при обратном напряжении.

Таким образом, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений, что позволяет использовать его для генерации и усиления колебаний, а также в переключающих схемах.

2.17. Параметры туннельных диодов

Пиковый ток (от сотен микроампер – до сотен миллиампер).

Напряжение пика – прямое напряжение, соответствующее току .

Ток впадины , соответствующий напряжению .

Напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току .

Отношение токов . Для туннельных диодов из GaAs отношение , для германия равно .

Напряжение раствора – прямое напряжение, соответствующее типовому току на второй восходящей ветви ВАХ, определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения.

Отрицательное дифференциальное сопротивление , определяемое на середине падающего участка BAX.

Удельная емкость – отношение емкости туннельного диода к пиковому току.

Предельная резистивная частота – частота, на которой активная составляющая полного сопротивления диода обращается в нуль.

Резонансная частота – частота, на которой реактивная составляющая полного сопротивления обращается в нуль.

Частотные параметры туннельного диода удобно анализировать с помощью эквивалентной схемы (рис. 2.27), соответствующей участку с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

На схеме:

– емкость диода,

– сопротивление перехода,

– сопротивление потерь, включающее сопротивление р- и n-областей, контактов и подводящих проводов,

– индуктивность выводов.

Полное сопротивление схемы на данной частоте ω:

. (2.75)

Приравнивая к нулю действительную часть полного сопротивления, находим предельную частоту, на которой диод способен генерировать колебания:

. (2.76)

При , т.е. частотные свойства определяются постоянной времени .

Аналогично можно найти

. (2.77)

Разработка конструкций туннельных диодов требует выполнения условий . Для этого индуктивность выводов должна быть по возможности минимальной. Уменьшение емкости путем уменьшения площади перехода приводит к увеличению , уменьшению пикового тока, но не влияет на величину . Поэтому частотные свойства ТД удобно характеризовать отношением .

Достоинством туннельных диодов являются высокие рабочие частоты, вплоть до СВЧ, низкий уровень шумов, высокая температурная устойчивость, большая плотность тока ( ).

Как недостаток следует отметить малую отдаваемую мощность из-за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и выходом, что затрудняет их использование.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды, изготовляемые на основе полупроводника с концентрациями примесей в р- и n - областях диода, меньших, чем в туннельных, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах.

В этом случае потолок валентной зоны р-области и дно зоны проводимости n-области при нулевом смещении на диоде находятся на энергетической диаграмме на одной высоте.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода представлена на рис. 2.28.

Прямая ветвь ВАХ обращенного диода аналогична прямой ветви обычного выпрямительного диода, а обратная ветвь аналогична обратной ветви ВАХ туннельного диода, т.к. при обратных напряжениях происходит туннельный переход электронов из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области и при малых обратных напряжениях (десятки милливольт) обратные токи оказываются большими. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но проводящее направление в них соответствует обратному включению, а запирающее – прямому включению. Благодаря этому их можно использовать в детекторах и смесителях на СВЧ в качестве переключателей.