Напівпровідниковий діод. P-N-перехід та діод

Якщо на поверхню напівпровідника нанести захисний шар з отворами та через ці отвори проводити дифузію домішки, то отримують планарнийр-n-перехід.

Власна ємність дифузійних діодів менше, ніж сплавлених, і становить д 1 ... 2 пф.

Маркування ППДпередбачає шість символів. Перший символ – літера (для діодів загального призначення) або цифра (для спеціальних діодів – працюючих за підвищених температур) – вказує матеріал напівпровідника: Г (1) – германій, К (2) – кремній, А (3) – GaAs. Другий символ – буква, що означає підклас діода: Д – випрямляючі, високочастотні (універсальні) та імпульсивні діоди; В – варикапи; С – стабілітрони та стабистори; Л – світлодіоди. Третій символ – цифра, що вказує на призначення діода (у стабілітронів – потужність розсіювання): три – перемикач, чотири – універсальний. Четвертий і п'ятий символи – двозначне число, що вказує на порядковий номер розробки (у стабілітронів – номінальна напруга стабілізації). Шостий символ – літера, що означає параметричну групу приладу (у стабілітронів – послідовність розробки).

Приклади маркування діодів:

ГД 412А - (Г) - германієвий, (Д) - діод, (4) - універсальний, (12) - номер розробки, (А) - група;

КС 196 В - (К) – кремнієвий, (С) – стабілітрон, (1) – потужність відстані не більше 0,3 Вт, (96) – номінальна напруга стабілізації 9,6 В, (В) – третя технологія. Позначення діодів на електричних схемах показано на рис. 1.6

1. 6. Випрямляючі діоди

Робота випрямного діода заснована на властивості p-n-переходу пропускати струм в одному напрямку - прямому.

Пряма гілка вольт-амперної характеристики випрямного діода, зображеної на рис.1.7, вже при невеликому прямому струмі є лінійною. Це основна робоча область характеристики діода.

До основних параметрів випрямних діодів, що характеризують їх роботу у випрямлювальних схемах, відносяться:

U пр.ср - середнє значення прямого падіння напруги, що визначається за вольт-амперною характеристикою при заданому значенні I пр.ср;

I обр - середнє значення зворотного струму при заданому значенні зворотної напруги U обр;

ƒ – діапазон робочих частот, у межах якого струм діода не зменшується нижче заданої величини. У довідниках часто наводять граничну частоту діапазону max.

Крім того, параметрами граничного електричного режиму діода є:

U обр.max - гранично допустима амплітуда зворотної напруги;

I пр.max - максимальне значення прямого струму.

Випрямні діоди поділяються на діоди малої (I пр.< 0,3 А), средней (0,3 < I пр.ср < 10 А) и большой (I пр.ср >10 А) потужності.

Для підвищення допустимої зворотної напруги виготовляються високовольтні стовпи, в яких кілька діодів включені послідовно, а також випрямні блоки, які містять послідовно, так і паралельно (для підвищення прямого струму) з'єднані діоди.

Область застосування випрямлювальних діодів – перетворювачі напруги змінного струму на напругу постійного струму (випрямлячі – АС-DC перетворювачі).

1.7. Діоди Шоттки

У 1939 німецьким фізиком Вольтером Шоттком було експериментально виявлено явище випрямлення слабких сигналів в області зіткнення металевої голки з напівпровідниковим кристалом. На ім'я вченого діоди на основі контакту «метал-напівпровідник» назвали діодами Шоттки.

Для виникнення потенційного бар'єра необхідно, щоб роботи виходу металу та напівпровідника були різними. У напівпровіднику n-типу робота виходу з нього в метал повинна бути меншою, ніж з металу в напівпровідник (Ф ВИХ n< Ф ВЫХ м) . В этом случае, при сближении полупроводника n-типа с металлом, поток электронов из полупроводника n-типа в металл будет больше, чем в обратном направлении и металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. При сближении полупроводника р-типа с металлом, обладающим меньшей Ф ВЫХ. М, металл заряжается положительно, а полупроводник - отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов: U k = (Ф ВЫХ м – Ф ВЫХ n) /е, где е - заряд электрона. Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов Uk создаётся в приповерхностном слое полупроводника. При изготовлении диода Шоттки (рис. 1.8) на очищенную поверхность слаболегированного полупроводникового кристалла (Si, GaAs) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо химического или электролитического осаждения. При этом в приконтактной области полупроводника как и в диодах с электронно-дырочным переходом возникает потенциальный барьер, изменение высоты которого под действием внешнего напряжения приводит к изменению тока через прибор.

Вольт-амперна характеристика бар'єру Шоттки (рис.1.9) має яскраво виражений несиметричний вигляд. У сфері прямих зміщень струм експоненційно зростає зі збільшенням прикладеної напруги. В області зворотних зсувів струм від напруги не залежить. В обох випадках, при прямому та зворотному зміщенні, струм у бар'єрі Шоттки обумовлений основними носіями заряду – електронами. З цієї причини діоди на основі бар'єру Шоттки є швидкодіючими приладами, оскільки в них відсутні рекомбінаційні та дифузійні процеси. Пряме падіння напруги у кремнієвого діода Шотки дуже мало, зазвичай близько 0.2...0.45 В. Падіння напруги пропорційно максимальному зворотному напрузі. Наприклад, падіння напруги на діоді зі зворотною напругою 10 В може становити лише 0.3 В. Чим вище максимальна зворотна напруга і номінальний струм, тим більше пряме падіння напруги внаслідок збільшення товщини n-шару.

Недоліки діодів Шоттки:

по-перше, при короткочасному перевищенні максимальної зворотної напруги, діод Шоттки незворотно виходить з ладу, на відміну від кремнієвих діодів, які переходять в режим зворотного пробою, і за умови не перевищення максимальної потужності, що розсіюється на діоді, після зняття напруги діод повністю відновлює свої властивості ;

по-друге, діоди Шоттки характеризуються підвищеними (щодо звичайних кремнієвих діодів) зворотними струмами, що зростають із зростанням температури кристала.

В даний час для потреб перетворювальної та силової електроніки освоєно випуск діодів Шоттки на основі карбіду кремнію. Зокрема, компанією CREE випускаються діоди Шоттки на основі карбіду кремнію з напругою до 1200В та струмом до 20А.

Головна перевага високовольтних SiC-діодів Шоттки (ДШ) полягає у їх виняткових динамічних характеристиках. Заряд зворотного відновлення (Qrr) цих діодів надзвичайно низький (менше 20 нКл) і, як наслідок, - мінімальні втрати на перемикання в типових застосуваннях імпульсної силової електроніки. Крім того, на відміну від кремнієвих PiN діодів, швидкість наростання струму (di/dt) не залежить від величини прямого струму та температури. Діоди нормально працюють за максимальної температури переходу 175°С.

Компанією CREE випускається невеликий спектр SiC-діодів Шоттки, який складається з трьох груп: ДШ на напругу 300, 600 і 1200В.

Діоди Шоттки випускаються компанією CREE у стандартних пластмасових корпусах TO-220, DPAK, D2PAK, TO-247-3, TO-263.

Переваги застосування SiC-діодів

Діоди Шоттки компанії CREE знаходять застосування в імпульсній силовій електроніці: у схемах коректорів коефіцієнта потужності, у приводах електродвигунів та ін.

Завдяки унікальним властивостям SiC-діодів, вони можуть працювати на частотах до 500 кГц, забезпечуючи високу ефективність пристроїв близько 92%.

Працюючи на високих частотах зменшуються габарити індуктивностей приблизно 30%. Завдяки відсутності струму зворотного відновлення знижуються електромагнітні перешкоди, що може дозволити заощадити на фільтрі.

Зменшення розміру та ваги електронних систем спочатку обумовлено вимогою ринку на зростаючу щільність потужності. Для того, щоб досягти цієї мети без шкоди для функціональності системи, необхідно зменшити розмір та вагу імпульсного джерела живлення цієї системи. У цьому сенсі SiC-діоди мають ряд чудових властивостей:

Дуже малим (практично нульовим) часом відновлення основних носіїв заряду при перемиканнях;

Вища напруга пробою, ніж у кремнієвих приладів;

Висока температура функціонування до +175 ° С;

Висока частота перемикання, до 500кГц, що зменшує розмір фільтра електромагнітних перешкод та інших пасивних компонентів.

Зменшення або виключення активних або пасивних демпферних ланцюгів.

Позитивний температурний коефіцієнт прямого падіння напруги дозволяє здійснювати паралельне включення діодів без додаткових компенсуючих ланцюгів.

Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковий діод - елемент електричного ланцюга, що має два висновки і має односторонню електропровідність. Усі напівпровідникові діоди можна поділити на дві групи: випрямлячі та спеціальні. Випрямні діоди, як випливає із самої назви, призначені для випрямлення змінного струму. Залежно від частоти та форми змінної напруги вони діляться на високочастотні, низькочастотні та імпульсні. Спеціальні типи напівпровідникових діодів використовують різні властивості p-nпереходів: явище пробою, бар'єрну ємність, наявність ділянок із негативним опором та ін.

Конструктивно випрямні діоди поділяються на площинні та точкові, а за технологією виготовлення на сплавні, дифузійні та епітаксійні. Площинні діоди завдяки великій площі p-n-переходи використовуються для випрямлення великих струмів Точкові діоди мають малу площу переходу і, відповідно, призначені для випрямлення малих струмів. Для збільшення напруги лавинного пробою використовуються стовпи випрямляння, що складаються з ряду послідовно включених діодів.

Випрямлювальні діоди великої потужності називають силовими. Матеріалом для таких діодів зазвичай є кремній або арсенід галію. Німеччина практично не застосовується через сильну температурну залежність зворотного струму. Кремнієві сплавні діоди використовуються для випрямлення змінного струму із частотою до 5 кГц. Кремнієві дифузійні діоди можуть працювати на підвищеній частоті до 100 кГц. Кремнієві епітаксії діоди з металевою підкладкою (з бар'єром Шотки) можуть використовуватися на частотах до 500 кГц. Арсенід-галієві діоди здатні працювати в діапазоні частот до декількох МГц.

Робота діодів заснована на використанні електронно-діркового переходу – тонкого шару матеріалу між двома областями різного типу електропровідності. nі p. Основна властивість цього переходу - несиметрична електропровідність, коли кристал пропускає струм в одному напрямку і не пропускає в іншому. Пристрій електронно-діркового переходу показано на рис.1.1, а. Одна частина його легована донорною домішкою та має електронну провідність ( n-область); інша, легована акцепторною домішкою, має дірочну провідність ( p-область). Концентрації носіїв у областях різко відрізняються. З іншого боку, обох частинах є невелика концентрація неосновних носіїв.

Рис.1.1. p-nперехід:

а - пристрій, б - об'ємні заряди

Електрони в n-області прагнуть проникнути в p-область, де концентрація електронів значно нижча. Аналогічно, дірки з p-області переміщаються в n-область. Внаслідок зустрічного руху протилежних зарядів виникає так званий дифузійний струм. Електрони та дірки, перейшовши через межу розділу, залишають після себе протилежні заряди, які перешкоджають подальшому проходженню дифузійного струму. В результаті на кордоні встановлюється динамічна рівновага і при замиканні p- І n-областей струм у ланцюзі не протікає. Розподіл густини об'ємного заряду у переході наведено на рис.1.1,б. При цьому всередині кристала на межі розділу з'являється власне електричне поле Е соб. , Напрямок якого показано на рис.1.1,а. Напруженість його максимальна на межі розділу, де відбувається стрибкоподібна зміна знака об'ємного заряду. А далі напівпровідник – нейтральний.

Висота потенційного бар'єру на p-nпереході визначається контактною різницею потенціалів n- І p-областей, яка, своєю чергою, залежить від концентрації домішок у яких:

, (1.1)

де - тепловий потенціал, N nі P p- Концентрації електронів і дірок в n- І p-областях, n i– концентрація носіїв зарядів у нелігованому напівпровіднику.

Контактна різницю потенціалів для германію має значення 0,6…0,7В, а кремнію – 0,9…1,2В. Висоту потенційного бар'єру можна змінювати додатком зовнішньої напруги до p-nпереходу. Якщо поле зовнішньої напруги збігається із внутрішнім, то висота потенційного бар'єру збільшується; при зворотній полярності прикладеної напруги висота бар'єру зменшується. Якщо прикладена напруга дорівнює контактній різниці потенціалів, то потенційний бар'єр зникає повністю.

Звідси, якщо зовнішнє напруження знижує потенційний бар'єр, воно називається прямим, і якщо підвищує його – зворотним.

Умовне позначення та вольтамперна характеристика (ВАХ) ідеального діода представлені на рис.1.2.

Той висновок, який потрібно подати позитивний потенціал, називається анодом, висновок з негативним потенціалом називається катодом (рис.1.2,а). Ідеальний діод у провідному напрямку має нульовий опір. У непровідному напрямі - нескінченно велике опір (рис.1.2,б).

Рис.1.2.Умовне позначення (а) та ВАХ

характеристика ідеального діода (б)

У напівпровідниках р-Типу основними носіями є дірки. Діркова електропровідність створена шляхом внесення атомів домішки акцепторної. Їхня валентність на одиницю менша, ніж у атомів напівпровідника. При цьому атоми домішки захоплюють електрони напівпровідника та створюють дірки – рухливі носії заряду.

У напівпровідниках n-Типу основними носіями є електрони. Електронна електропровідність утворюється шляхом внесення атомів донорної домішки. Їхня валентність на одиницю більша, ніж у атомів напівпровідника. Утворюючи ковалентні зв'язки з атомами напівпровідника, атоми домішки не використовують один електрон, який стає вільним. Самі атоми стають позитивними нерухомими іонами.

Якщо до зовнішніх висновків діода підключити джерело напруги в прямому напрямку, то це джерело напруги створить р-nпереході електричне поле, спрямоване назустріч внутрішньому. Результуюче поле зменшуватиметься. При цьому піде процес дифузії. У ланцюзі діода потече прямий струм. Чим більша величина зовнішньої напруги, тим менша величина внутрішнього поля, тим вже замикаючий шар, тим більша величина прямого струму. Зі зростанням зовнішньої напруги прямий струм зростає за експоненційним законом (рис.1.3). При досягненні деякої величини зовнішньої напруги ширина замикаючого шару знизиться до нуля. Прямий струм буде обмежений лише об'ємним опором і зростатиме лінійно зі збільшенням напруги.

Рис.1.3. ВАХ реального діода

При цьому падіння напруги на діоді – пряме падіння напруги. Його величина невелика і залежить від матеріалу:

германій Ge: U пр= (0,3 - 0,4);

кремній Si: U пр= (0,6 - 1).

Якщо змінити полярність зовнішньої напруги, то електричне поле цього джерела співпадатиме з внутрішнім. Результуюче поле збільшиться, ширина замикаючого шару збільшиться, і струм в ідеальному випадку у зворотному напрямку протікати не буде; але так як напівпровідники не ідеальні і в них крім основних рухомих носіїв є незначна кількість неосновних, то як наслідок виникає зворотний струм. Його величина залежить від концентрації неосновних носіїв і зазвичай становить одиниці-десятки мікроамперів.

Концентрація неосновних носіїв менша за концентрацію основних, тому зворотний струм малий. Величина цього струму залежить від величини зворотної напруги. У кремнію зворотний струм на кілька порядків менший, ніж у германію, але у кремнієвих діодів вище пряме падіння напруги. Концентрація неосновних носіїв залежить від температури і при її збільшенні зростає зворотний струм, тому називають тепловий струм I o:

I o (T) = I o (T o)e a D Т,

DT=T-T o ; а Ge = 0.09к -1; а Si = 0.13к -1; I oGe >>I oSi. .

Є приблизна формула

I o (T) = I o (T o)2 T * ,

де Т*- Збільшення температури, якому відповідає подвоєння теплового струму,

Т*Ge=8...10 o C; T*Si=6 o C.

Аналітичний вираз для ВАХ р-ппереходу має вигляд:

, (1.2)

де U- Додана зовнішня напруга.

Для температури 20 о С φ т = 0.025В.

Зі збільшенням температури за рахунок зростання теплового струму та зниження потенційного бар'єру, зменшення опору напівпровідникових шарів відбувається зміщення прямої гілки ВАХ в області великих струмів. Зменшується об'ємний опір напівпровідників nі р. В результаті пряме падіння напруги буде меншим. Зі зростанням температури за рахунок зменшення різниці між концентрацією основних та неосновних носіїв зменшується потенційний бар'єр замикаючого шару, що призведе також до зменшення U пр, т. к. замикаючий шар зникне при меншій напрузі.

Одному й тому струму будуть відповідати різні прямі напруги (рис.1.4), утворюючи різницю DU,

де e-температурний коефіцієнт напруги

Якщо струм через діод постійний, зменшиться падіння напруги на діоді. При збільшенні температури на градус пряме падіння напруги зменшується на 2 мВ.

Мал. 1.4. ВАХ р-ппереходу при Мал. 1.5. ВАХ германієвого та

різних температурах кремнієвого діодів

Зі зростанням температури зворотна гілка вольтамперної характеристики зміщується вниз (рис.1.4). Робочий діапазон температури для германієвих діодів 80 про З, кремнієвих діодів 150 про З.

ВАХ германієвих та кремнієвих діодів наведено на рис.1.5.

Диференціальний опір р-ппереходу (рис.1.6):

(1.3)

Зі зростанням величини струму r д- Зменшується.

Рис.1.6.Визначення диференціального

опору діода

Опір постійному струму р-ппереходу: .

Опір постійному струму характеризується коефіцієнтом кута нахилу прямої, проведеної з початку координат дану точку. Опір це також залежить від величини струму: зі зростанням I опір падає . R Ge< R Si .

ВАХ напівпровідникового діода дещо відрізняється від ВАХ ідеального діода. Так за рахунок витоку струму по поверхні кристала реальний зворотний струм буде більшим за тепловий струм. Відповідно зворотний опір у реального діода менший, ніж у ідеального р-ппереходу.

Пряме падіння напруги більше, ніж у ідеальної р-ппереходу. Це відбувається за рахунок падіння напруги на шарах напівпровідника рі птипу. Причому, у реальних діодів один із шарів рабо пмає більшу концентрацію основних носіїв ніж інший. Шар із великою концентрацією основних носіїв називають емітером, він має незначний опір. Шар із меншою концентрацією основних носіїв називають базою. Він має досить значний опір.

Збільшення прямого падіння напруги відбувається за рахунок падіння напруги на опорі основи.

Для розрахунку електронних схем, що містять напівпровідникові діоди, виникає необхідність представлення їх у вигляді схем заміщення. Схема заміщення напівпровідникового діода при кусково-лінійній апроксимації його ВАХ зображено на рис.1.7. На рис.1.8 представлені схеми заміщення з використанням ВАХ ідеального діода та ВАХ ідеального p-nпереходу ( r д- Опір діода, r у-Опір витоку діода).

Рис.1.7. Апроксимація ВАХ діода

лінійними відрізками

Рис.1.8. Заміщення діодів використанням ВАХ

ідеального діода (а) та ВАХ ідеального p-nпереходу (б)

Робота діода в ланцюзі з навантаженням.Розглянемо найпростіший ланцюг з діодом та резистором, і дію на вході її різнополярної напруги (рис.1.9). Картина розподілу напруги на елементах схеми визначається положенням ліній навантаження (рис.1.10) - на графіку ВАХ діода по осі напруги в обидві сторони відкладаються дві точки, що визначаються +U mі -U mнапруги живлення, що відповідає напрузі на діоді при закороченому навантаженні R на на осі струму в обидві сторони відкладаються струми U m /R ні - U m /R нщо відповідає закороченому діоду. Ці дві точки попарно поєднуються прямими лініями, які називаються навантажувальними. Перетин ліній навантаження R ну першому та третьому квадрантах з гілками

ВАХ діода для кожної фази напруги живлення відповідають

Мал. 1.9. Ланцюг з діодом і Мал. 1.10. ВАХ діода з навантажувальною

навантаженням прямий

їх однаковим струмам (що необхідно при їх послідовному з'єднанні) і визначають положення робочих точок.

Позитивна напівхвиля U>0, U=U m.

Ця полярність є прямою для діода. Струм і напруга завжди задовольнятимуть ВАХ:

Крім того:

U д = U m - I д R H;

при I д =0, U д =U m;

при U д =0, I д =U m /R H;

при прямому включенні U m >>U пр(Рис. 1.10).

При практичному застосуванні U пр>0 (U пр- Пряма напруга), коли діод відкритий. При роботі діода в прямому напрямку напруга на ньому мінімальна - ( Ge-0,4 B; Si-0,7 B), і його вважатимуться приблизно рівним нулю. Струм при цьому буде максимальним.

Рис.1.11. Сигнали напруги та струму в ланцюгу діода з навантаженням

Негативна напівхвиля U<0, U= -U m .

Характеристика діода та сама, але

U д = -U m -I д R H,;

I д =0, U д =U m;

U д = 0, I д = U m / R H; U H<

Ємності р-ппереходу.При включенні р-ппереходу у зворотному напрямку, а також при невеликих прямих напругах в області р-ппереходу існує подвійний електричний шар: робласті - негативний, побласті – позитивний.

Накопичення у цьому шарі некомпенсованого заряду призводить до виникнення ємності р-ппереходу, що називається бар'єрною ємністю. Вона характеризує зміну накопиченого заряду при зміні зовнішньої напруги за рис.1.12. З б = dQ / dU .

Мал. 1.12. Залежність бар'єрної ємності

від зворотної напруги.

Бар'єрна ємність залежить від геометричних розмірів р-ппереходу. Зі збільшенням U обрширина р-ппереходу зростає, а ємність зменшується.

При включенні діода в прямому напрямку бар'єрна ємність практично зникає, а в базовому шарі діода відбувається накопичення неосновних носіїв, що перейшли з емітера. Це накопичення заряду створює також ефект ємності, яку називають дифузійною. З дзазвичай перевищує З б.

Дифузійна ємність визначається З д = dQ д / dU.

Ці ємності позначаються під час роботи діодів на високих частотах. Ємності р-ппереходу включають до схеми заміщення (рис.1.13).

Мал. 1.13. Схеми заміщення діода з урахуванням ємностей:

а – бар'єрна ємність; б - дифузійна ємність

Перехідні процеси у діодах.Працюючи діодів з сигналами високих частот (1-10 МГц) процес переходу з непровідного стану у провідне і навпаки відбувається миттєво з допомогою наявності ємності у переході, з допомогою накопичення зарядів основу діода.

На рис.1.14 наведено часові діаграми зміни струмів через діод і навантаження при прямокутних імпульсах напруги живлення. Ємності в ланцюгу діода спотворюють передній та задній фронти імпульсів, викликають появу часу розсмоктування t p.

При виборі діода для конкретної схеми треба враховувати його частотні властивості та швидкодію.

Мал. 1.14. Перехідні процеси при

перемиканні діода:

t ф1- Тривалість переднього фронту переходу;

t ф2- Тривалість заднього фронту;

t p- Час розсмоктування.

Пробій р-ппереходу.Зворотна напруга діода не може зростати до скільки завгодної величини. При деякому зворотному напрузі, характерному кожного типу діода, відбувається різке зростання зворотного струму. Цей ефект називають пробоєм переходу. Розрізняють кілька видів пробою (рис.1.15):

1- лавинний пробій, коли збільшення зворотного струму відбувається за рахунок лавинного розмноження основних носіїв;

Мал. 1.15. ВАХ при різних видах пробою

2- тунельний пробій, коли подолання потенційного бар'єру і замикаючого шару відбувається за рахунок тунельного ефекту.

При лавинному і тунельному пробоях зростає зворотний струм при постійному зворотному напрузі.

Це електричні пробої. Вони є оборотними. Після зняття U обрдіод відновлює свої властивості.

3- тепловий пробій, він відбувається в тому випадку, коли кількість тепла, що виділився в р-ппереході більше кількості тепла, що віддається поверхнею діода в навколишнє середовище. При цьому зі збільшенням температури р-ппереходу зростає концентрація неосновних носіїв, що призводить до ще більшого зростання зворотного струму, який, своєю чергою, веде до підвищення температури тощо. Так як для діодів, виготовлених на основі германію, I обрбільше, ніж для діодів на основі кремнію, то для перших ймовірність теплового пробою вища, ніж для других. Тому максимальна робоча температура для кремнієвих діодів вище (150 про … 200 про З), ніж германієвих (75 про … 90 про З).

При цьому пробоє р-пперехід руйнується.

Контрольні питання.

1. Що таке напівпровідниковий діод? Вольтамперна характеристика ідеального та реального діода?

2. Які матеріали використовуються для виготовлення напівпровідникових діодів? Як створювати у напівпровідниковій підкладці області того чи іншого типу провідності?

3. Що таке власне електричне поле у кристалі на кордоні p-n-переходу? Як воно видозмінюється при подачі зовнішньої напруги?

4. Чим пояснюється ефект односторонньої провідності p-n-переходу у напівпровіднику?

5. Вольтамперні характеристики p-n-переходів для германієвих та кремнієвих діодів при зміні зовнішньої температури?

6. Як визначається диференціальний опір діода?

7. Як будуються вольтамперні характеристики діода з прямою навантажувальною?

8. Поясніть механізм формування бар'єрної та дифузійної ємностей діода? Як вони позначаються під час роботи діода в ланцюгах змінного струму?

лекція 2. Спеціальні типи

Напівпровідниковий діод називається електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з одним випрямляючим електричним переходом, що має 2 висновки.

Структура напівпровідникового діода з електронно-дірковим переходом та його умовне графічне позначення наведено на рис. 1.2 а, б.

Літерами p і n позначені шари з провідностями відповідно p-типу та n-типу.

Зазвичай концентрації основних носіїв заряду (дірок у шарі p та електронів у шарі n) сильно різняться. Шар напівпровідника, що має більшу концентрацію, називають емітером, а має меншу концентрацію - базою.

Далі розглянемо основні елементи діода (p-n-перехід і непрямий контакт метал-напівпровідник), фізичні явища, що лежать в основі роботи діода, а також важливі поняття, що використовуються для опису діода.

Глибоке розуміння фізичних явищ і володіння зазначеними поняттями необхідно як для того, щоб правильно вибирати конкретні типи діодів і визначати режими роботи відповідних схем, виконуючи традиційні розрахунки за тією чи іншою методикою.

У зв'язку зі швидким впровадженням у практику інженерної роботи сучасних систем схемотехнічного моделювання ці явища та поняття доводиться постійно мати на увазі при виконанні математичного моделювання.

Системи моделювання швидко вдосконалюються, і математичні моделі елементів електронних схем дедалі оперативніше враховують «тонкі» фізичні явища. Це робить дуже бажаним постійне поглиблення знань в області, що описується, і необхідним розуміння основних фізичних явищ, а також використання відповідних основних понять.

Наведений нижче опис основних явищ і понять, крім іншого, має підготувати читача до систематичного вивчення математичного моделювання електронних схем.

Розглянуті нижче явища і поняття необхідно знати щодо не тільки діода, а й інших приладів.

Структура pn-переходу.

Спочатку розглянемо ізольовані одна від одної шари напівпровідника (рис. 1.3).

Відобразимо відповідні зонні діаграми (рис. 1.4).

У вітчизняній літературі з електроніки рівні зонних діаграм та різниці цих рівнів часто характеризують потенціалами та різницями потенціалів, вимірюючи їх у вольтах, наприклад, вказують, що ширина забороненої зони ф 5 для кремнію дорівнює 1,11 Ст.

У той же час зарубіжні системи схемотехнічного моделювання реалізують той підхід, що зазначені рівні та різниці рівнів характеризуються тією чи іншою енергією та вимірюються в електрон-вольтах (еВ), наприклад, у відповідь на запит такої системи про ширину забороненої зони у разі кремнієвого діода вводиться величина 1,11 еВ.

У цій роботі використовується підхід, прийнятий у вітчизняній літературі.

Тепер розглянемо шари, що контактують напівпровідника (рис. 1.5).

У контактуючих шарах напівпровідника має місце дифузія дірок з шару p шар n, причиною якої є те, що їх концентрація в шарі p значно більше їх концентрації в шарі n (існує градієнт концентрації дірок). Аналогічна причина забезпечує дифузію електронів з шару n шар p.

Дифузія дірок з шару p шар n, по-перше, зменшує їх концентрацію в прикордонній області шару p і, по-друге, зменшує концентрацію вільних електронів в прикордонній області шару n внаслідок рекомбінації. Подібні результати має і дифузія електронів із шару n шар p. У результаті прикордонних областях шару p і шару n з'являється так званий збіднений шар, у якому мала концентрація рухливих носіїв заряду (електронів і дірок). Збіднений шар має великий питомий опір.

Іони домішок збідненого шару не компенсовані дірками чи електронами. У сукупності іони утворюють об'ємні некомпенсовані заряди, що створюють електричне поле з напруженістю E , зазначеної на рис. 1.5. Це поле перешкоджає переходу дірок з шару p шар n і переходу електронів з шару n шар p. Воно створює так званий дрейфовий потік рухомих носіїв заряду, що переміщає дірки з шару n шар і електрони з шару p шар n.

У режимі дрейфовий потік дорівнює дифузійному, обумовленому градієнтом концентрації. У несиметричному p-n-переході більшим є заряд у шарі з меншою концентрацією домішки, тобто в базі.

Зобразимо зонну діаграму для шарів, що контактують (рис. 1.6), враховуючи, що рівень Фермі для них є єдиним.

Розгляд структури p-n-переходу та вивчення зонної діаграми (рис. 1.6) показують, що в області переходу виникає потенційний бар'єр. Для кремнію висота Аф потенційного бар'єру приблизно дорівнює 0,75 Ст.

Приймемо умову, що потенціал деякої віддаленої від переходу точки шарі p дорівнює нулю. Побудуємо графік залежності потенціалу від координати x відповідної точки (рис. 1.7). Як очевидно з малюнка, значення координати x = 0 відповідає межі шарів напівпровідника.

Важливо відзначити, що представлені вище зонні діаграми та графік для потенціалу Ф (рис. 1.7) суворо відповідають підходу, який використовується в літературі з фізики напівпровідників, згідно з яким потенціал визначається для електрона, що має негативний заряд.

У електротехніці та електроніці визначають як роботу, що здійснюється силами поля з перенесення одиничного позитивного заряду.

Побудуємо графік залежності потенціалу Фе, що визначається на основі електротехнічного підходу від координати x (рис. 1.8).

Нижче індекс «е» у позначенні потенціалу опускатимемо і використовуватимемо лише електротехнічний підхід (за винятком зонних діаграм).

Пряме та зворотне включення p-n-переходу. Ідеалізований математичний опис характеристики переходу.

Підключимо до p-n-переходу зовнішнє джерело так, як це показано на рис. 1.9. Це так зване пряме включення p-n-переходу. В результаті потенційний бар'єр зменшиться на величину u (рис. 1.10), дрейфовий потік зменшиться, p - n-перехід перейде в нерівноважний стан, і через нього протікатиме так званий прямий струм.

Підключимо до p-n-переходу джерело так, як показано на рис. 1.11. Це так зване зворотне включення p-n-переходу. Тепер потенційний бар'єр збільшиться на u (рис. 1.12). У цьому випадку через p-n-перехід буде дуже малий. Це так званий зворотний , який забезпечується термогенерацією електронів і дірок у областях, прилеглих до p-n-переходу.

Однак об'ємні заряди створюють електричне поле, яке своєю чергою істотно впливає рух вільних носіїв електрики, т. е. на процес протікання струму.

При збільшенні зворотного область просторових зарядів (переважно з допомогою бази) і величина заряду кожному шарі (p і n) напівпровідника збільшуються. Це збільшення відбувається непропорційно: при великій за модулем зворотній напрузі заряд збільшується при збільшенні модуля повільніше, ніж при малому за модулем зворотному напрузі.

Дамо пояснювальну ілюстрацію (рис. 1.19), де використовуємо позначення:

Q – просторовий заряд у шарі n напівпровідника;

u - зовнішня напруга, прикладена до p - n-переходу.

Позначимо через f функцію, що описує залежність Q від u. Відповідно до викладеного

У практиці математичного моделювання (і за ручних розрахунках) зручно і тому прийнято користуватися не цим виразом, а іншим, одержуваним із цього результаті диференціювання. На практиці широко використовують так звану бар'єрну ємність 6ар p-n-переходу, причому за визначенням 6ар = | dQ/du | Зобразимо графіки для Q (рис. 1.20) та C бар (рис. 1.21).

Явище виникнення та зміни об'ємного заряду нерівноважних носіїв електрики. Дифузійна ємність.

Якщо зовнішнього джерела зміщує p-n-перехід у прямому напрямку (u> 0), то починається інжекція (емісія) - надходження неосновних носіїв електрики в шар напівпровідника, що розглядається. У разі несиметричного p-n-переходу (що зазвичай буває практично) основну роль грає інжекція з емітера до основи.

Далі припускаємо, що перехід несиметричний і що емітер є шар p , а базою - шар n . Тоді інжекція - це надходження дірок у шар n. Наслідком інжекції є в основі об'ємного заряду дірок.

Відомо, що в напівпровідниках має місце явище діелектричної релаксації (релаксації Максвелла), яке полягає в тому, що об'ємний заряд, що виник, практично миттєво компенсується зарядом надійшли вільних носіїв іншого знака. Це відбувається за час порядку 10-12 с або 10-11 с.

Відповідно до цього заряд дірок, що надійшов до бази, буде миттєво нейтралізований таким же за модулем зарядом електронів.

Використовуємо позначення:

Q - об'ємний заряд нерівноважних носіїв у основі;

u - зовнішня напруга, прикладена до p - n-переходу;

f - функція, що описує залежність Q від u.

Дамо пояснювальну ілюстрацію (рис. 1.22).

Відповідно до викладеного Q = f(u) На практиці зручно і прийнято користуватися не цим виразом, а іншим, що отримується з цього в результаті диференціювання. При цьому використовують поняття дифузійної ємності C диф p-n-переходу, причому за визначенням C диф = dQ / du Ємність називають дифузійною, так як заряд Q, що розглядається, лежить в основі дифузії носіїв в базі.

C диф зручно і прийнято описувати не як функцію u, а як функцію струму i p-n-переходу.

Сам заряд Q прямо пропорційний струму i (рис. 1.23 а). У свою чергу i експоненційно залежить від u (відповідний вираз наведено вище), тому похідна di/du також прямо пропорційна струму (для експоненційної функції її похідна тим більша, чим більше значення функції). Звідси випливає, що ємність С диф прямо пропорційна току i (рис.1.23,6):

Cдіф=i·τ/φт де φт - температурний потенціал (визначено вище);

τ – середній час прольоту (для тонкої бази), або час життя (для товстої бази).

Середній час прольоту - це час, протягом якого інжектовані носії електрики проходять базу, а час життя - час від інжекції носія електрики до рекомбінації.

Загальна ємність pn-переходу.

Ця ємність С пер дорівнює сумі розглянутих ємностей, тобто С пер = С бар + С диф.

При зворотному зміщенні переходу (u< 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно С бар < С диф.

Непрямий контакт метал-напівпровідник.

Для підключення зовнішніх висновків у діодах використовують так звані непрямі (омічні) контакти метал-напівпровідник. Це такі контакти, опір яких практично не залежить від полярності, ні від величини зовнішньої напруги.

Отримання контактів, що не випрямляють, - не менш важливе завдання, ніж отримання p-n-переходів. Для кремнієвих приладів як метал контактів часто використовують алюміній. Властивості контакту метал-напівпровідник визначаються різницею робіт виходу електрона. Робота виходу електрона з твердого тіла - це збільшення енергії, яке має отримати електрон, що знаходиться на рівні Фермі, для виходу з цього тіла.

Позначимо роботу виходу для металу через A м, а напівпровідника - через A п. Розділивши роботи виходу на заряд електрона q, отримаємо відповідні потенціали:

φ m =A m /q,φ n =A n /q

Введемо на розгляд так звану контактну різницю потенціалів φ mn:φ mn=φ m -φ n

Для певності звернемося до контакту метал-напівпровідник n-типу. Для отримання контакту, що не випрямляє, необхідно виконання умови φ mn< 0. Изобразим соответствующие зонные диаграммы для неконтактирующих металла и полупроводника (рис. 1.24).

Як випливає з діаграми, енергетичні рівні у напівпровіднику, що відповідають зоні провідності, заповнені менше, ніж у металі. Тому після з'єднання металу та напівпровідника частина електронів перейде з металу до напівпровідника. Це призведе до збільшення концентрації електронів у напівпровіднику типу n.

Таким чином, провідність напівпровідника в області контакту виявиться підвищеною і шар, збіднений вільними носіями, буде відсутній. Зазначене явище виявляється причиною того, що контакт буде невипрямляючим. Для отримання контакту, що не випрямляє, метал-напівпровідник p-типу необхідно виконання умови φмп> 0

з проектування та конструювання напівпровідникових приладів

1. Тема: Розрахунок випрямного дифузійного діода.

2. Термін подання курсового проекту до захисту:

3. Вихідні дані для проектування:

3.1 імпульсна зворотна напруга, що повторюється: U RRM = 2000 B.

3.2 Максимально допустимий прямий струм: I FAV = 350 A.

3.3 Зворотний допустимий струм: I RRM ≤ 3 мА.

3.4 Пряме падіння напруги: U FM ≤ 1,5 Ст.

4.1 Розрахунок питомого опору вихідного кристала.

4.2 Розрахунок геометричних розмірів верств випрямного елемента.

4.3 Розрахунок діаметра випрямного елемента та вибір конструкції корпусу діода.

4.4 Перевірка відповідності розрахункових та заданих значень основних параметрів діода та коригування розрахунків.

5. Список графічного матеріалу.

5.1 Вольт амперна характеристика діода одиничної площі.

5.2 Графіки залежності потужності, що виділяється і відводиться від діаметра випрямляючого елемента.

5.3 Структура випрямляючого елемента.

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка містить 32 сторінки друкованого тексту, 2 малюнки, 3 таблиці, 3 додатки, при написанні використовувалося 3 джерела літератури.

випрямний елемент, експоненційна модель, дифузійний профіль, питомий опір, напруга пробою, область просторового заряду, прямий струм, діод.

Об'єктом розробки є дифузійний діод, що випрямляє.

Мета роботи - проектування випрямного дифузійного діода

Методи розробки – аналітичний розрахунок.

Отримані результати: за заданими електричними параметрами визначено технологічні параметри виготовлення елемента випрямлення, розроблена структура діода.

Основні конструкційні та експлуатаційні характеристики: Повторювана імпульсна зворотна напруга U RRM = 2000 B, максимально допустимий прямий струм I FAV = 350 A, зворотний допустимий струм I RRM ≤ 70 мА, пряме падіння напруги U FM ≤ 1,5 В. Питомий опір вихідного r = 70 Ом×см, товщина структури W = 270 мкм, глибина залягання p - n-переходу x j = 55 мкм, параметри дифузії Dt = 2,17 × 10 -6 см -2 діаметр випрямного елемента d В = 24 мм. Максимальна температура корпусу TC = 140°C.

Область застосування: розроблений діод може застосовуватися в будь-якій силовій апаратурі, де необхідне його використання та дотримуються умови експлуатації.

Вступ

1. Теоретична частина

1.1 Вибір матеріалу діода та типу провідності вихідного кристала

1.2 Визначення питомого опору вихідного кристала

1.3 Розрахунок геометричних розмірів шарів випрямляючого елемента

1.4 Розрахунок діаметра випрямного елемента та вибір конструкції корпусу діода

1.5 Перевірка відповідності розрахункових та заданих значень основних параметрів діода та коригування розрахунків

2. Розрахункова частина

2.1 Розрахунок питомого опору вихідного кристала

2.2 Розрахунок геометричних розмірів шарів випрямляючого елемента

2.3 Розрахунок діаметра випрямного елемента та вибір конструкції корпусу діода

2.4 Перевірка відповідності розрахункових та заданих значень основних параметрів діода та коригування розрахунків

Висновок

Список використаних джерел

Додаток А

Додаток Б

Додаток

ВСТУП

Метою даного курсового проекту є визначення основних електричних, технологічних та експлуатаційних параметрів випрямного дифузійного діода на підставі заданої структури (характеру розподілу домішки) та електричних характеристик.

Проектування напівпровідникових приладів є складним завданням, що вимагає фундаментальних знань у галузі фізики напівпровідників і напівпровідникових приладів, напівпровідникової технології тощо. буд. Точний розрахунок у них можливий лише чисельними методами. На етапі навчання доцільніше придбання навичок проектування на основі аналітичних формул і виразів для закріплення навичок розрахунку напівпровідникових приладів.

Незважаючи на те, що при розрахунку застосовувалися аналітичні формули, які застосовуються лише в деякому наближенні, все ж таки завдяки набутим навичкам, для кожного конкретного випадку були підібрані ті співвідношення, які дають найменшу похибку розрахунку. Внаслідок чого було розроблено діод, який легко виготовити у стандартному технологічному циклі, причому всі електричні та експлуатаційні характеристики відповідатимуть заданим.

Економічний розрахунок проекту не проводився.

Новини в роботі немає, оскільки проектування проводилося за матеріалами наукової літератури.

1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1.1 Вибір матеріалу діода та типу провідності вихідного кристала

В даний час випрямні діоди майже цілком виготовляються на основі германію та кремнію. Такі матеріали, як арсенід галію і карбід кремнію, поки що не набули широкого поширення через складну технологію отримання та обробки.

Кремнієві випрямні діоди мають ряд переваг у порівнянні з германієвими. Завдяки тому, що кремнію більше ширина забороненої зони, кремнієві діоди мають більш високі робочі температури (до 190 °С проти 85 °С для германієвих діодів). Внаслідок цього вони можуть працювати за більш високих щільностей струмів у прямому напрямку.

Через ширшу заборонену зону в кремнії концентрація власних носіїв заряду n i на два порядки менше, ніж у германії, в результаті кремнієві діоди мають зворотні струми в тисячі разів менше германієвих. Кремнієві діоди витримують велику зворотну напругу, що визначаються лавинним пробоєм р - n-переходу. У той час як у германієвих діодах (внаслідок відносно великих зворотних струмів) раніше може розвинутись тепловою пробою. Цьому сприяє менше значення коефіцієнта теплопровідності германію.

Недоліком кремнієвих діодів є порівняно велике падіння напруги у прямому напрямку. Через різницю в ширині забороненої зони в кремнієвих р - n-переходах висота потенційного бар'єру (при однакових рівнях легування базових областей) в 1,5 - 2,0 рази перевищує висоту потенційного бар'єру германієвих р - n-переходів. Приблизно в стільки ж разів і падіння напруги на р - n-переході в кремнієвих діодах буде більшим.

Вихідний кристал для випрямних діодів може мати провідність як n-, так і p-типу. Але оскільки в германії і кремнії рухливість електронів помітно перевищує рухливість дірок, краще використовувати вихідні матеріали електронного типу провідності, так як в цьому випадку падіння напруги буде менше.

На вибір типу провідності вихідного кристала може проводити стан поверхні напівпровідника. У кремнієвих р - n-переходах в оксиді кремнію або на межі кремній - діоксид кремнію майже завжди є значний позитивний заряд, який може істотно зменшити напругу поверхневого пробою в p + -n-переходах (якщо дифузія проводилася у вихідний кристал n-типу провідності) або призвести до утворення інверсійного каналу та різкого збільшення зворотного струму в n + - p-переходах (якщо дифузія проводилася у вихідний кристал p-типу провідності). Якщо в першому випадку можна застосовувати досить розроблені способи усунення поверхневого пробою, то остання обставина ускладнює створення високовольтних p - n-переходів з малими зворотними струмами. Тому створення високовольтних діодів краще вибирати вихідний кремній електронного типу провідності.

1.2 Визначення питомого опору вихідного кристала

Питома, опір вихідного кристала впливає ряд параметрів выпрямительного діода: пряме падіння напруги, зворотний струм, ємність тощо. буд. Але у найбільшою мірою від цього залежить напруга лавинного пробою p - n-переходу U B , тому вибір питомого опору вихідного кристала виробляється то напрузі лавинного пробою.

Напруга лавинного пробою визначається за заданим значенням імпульсної зворотної напруги, що повторюється U rrm :

, (1.2.1)
де k – коефіцієнт запасу.

Значення коефіцієнта запасу вибирається рівним 0,75 - 0,80.

Напруга лавинного пробою дифузійного р - n-переходу залежить не тільки від питомого опору вихідного кристала, а й від характеру розподілу домішки, що дифузує.

Домішні профілі дифузійних (особливо високовольтних) р - n-переходів, у межах області об'ємного заряду найбільш точно апроксимуються експонентою. Тоді результуюча домішкова концентрація, наприклад, для випадку дифузії акцепторної домішки у вихідний матеріал n-типу, має вигляд:
, (1.2.2)
де x j – глибина залягання р – n-переходу від поверхні;

N 0 λ - параметри апроксимації.