4.7. Полупроводниковые диоды

Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом проводимости (р — дырочной и n — электронной) обладает выпрямляющими свойствами: она гораздо лучше пропускает ток в одном направлении, чем в другом. Полярность напряжения, соответствующая большим токам, называется прямой, а меньшим — обратной. Обычно пользуются терминами прямое и обратное напряжение, прямой и обратный ток. Поверхность, по которой контактируют р- и га-слои,, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объемных зарядов — электронно-дырочным переходом.

Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и соотношению удельных сопротивлений слоев.

Ступенчатыми переходами (коэффициент плавности перехода т=0,5, в EWB 5.0 имеет обозначение М) называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся дырки, а по другую — электроны. Такие переходы наиболее просты для анализа и поэтому все реальные переходы стараются, если это возможно, рассматривать как ступенчатые.

Плавными переходами (т=0,333) называют такие, у которых в области металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа — растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству концентраций примесей. Все реальные р-п-переходы — плавные, степень их приближения к ступенчатым зависит от градиента эффективной концентрации в районе металлургической границы.

По соотношению концентраций примесей в р- и п-слоях переходы делятся на симметричные, несимметричные и односторонние. Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники. Основное распространение имеют несимметричные переходы, у которых концентрации не одинаковы. В случае резкой асимметрии, когда концентрации примесей (а значит, и основных носителей) различаются на один-два порядка и более, переходы называют односторонними.

Вольтамперная характеристика р-п-перехода описывается выражением [12]:

(4.7)

где I — ток через переход при напряжении U, I„ — обратный ток, Ui — температурный потенциал перехода, равный при комнатной температуре 26 мВ.

Если к переходу подключить обратное напряжение, то при определенном его значении переход пробивается. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, а третий — с увеличением рассеиваемой мощности и, соответственно, температуры.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. "просачивание" электронов сквозь тонкий потенциальный барьер перехода. В основе лавинного пробоя лежит "размножение" носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей полупроводника. В результате рождается новая пара электрон—дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер, подобно самостоятельному разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением. Явление пробоя находят практическое применение в стабилитронах — приборах, предназначенных для стабилизации напряжения.

В основе теплового пробоя лежит саморазогрев перехода при протекании обратного тока. С ростом температуры обратные токи резко возрастают, соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе; это вызывает дополнительный рост температуры и т.д. Как правило, тепловой пробой не имеет самостоятельного значения: он может начаться лишь тогда, когда обратный ток уже приобрел достаточно большую величину в результате лавинного или туннельного пробоя.

Ранее (в разд. 4.4) мы уже говорили о барьерной емкости. Ее принято разделять на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение носителей в базе. Такое разделение в общем условно, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при изменении полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и, соответственно, диффузионная емкость. При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Обе емкости нелинейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная — от обратного напряжения.

Набор задаваемых параметров для диодов в EWB 5.0 заметно больше по сравнению с EWB 4.1. Диалоговое окно для задания параметров диодов в EWB 5.0 состоит из двух одинаковых по внешнему виду закладок (первая из них показана на рис. 4.49), с помощью которых можно дополнительно (по сравнению с окном на рис. 4.38) задать следующие параметры:

N — коэффициент инжекции;

EG — ширина запрещенной зоны, эВ;

FC — коэффициент нелинейности барьерной емкости прямо смещенного перехода;

BV —напряжение пробоя (положительная величина, в EWB 4.1 она принята отрицательной),

В; для стабилитронов вместо этого параметра используется параметр VZT — напряжение стабилизации;

IBV — начальный ток пробоя при напряжении BV (положительная величина), А;

для стабилитронов вместо этого параметра используется параметр IZT — начальный ток стабилизации;

XTI — температурный коэффициент тока насыщения;

KF — коэффициент фликкер-шума;

AF — показатель степени в формуле для фликкер-шума;

TNOM — температура диода, "С.

Эквивалентные схемы диода показаны на рис. 4.50, а, б, на которых обозначено: А — анод, К — катод, I — источник тока, Rs — объемное сопротивление, С — емкость перехода, G„„n — проводимость, обусловленная утечками (в EWB 5.0 задается в диалоговом окне на рис. 1.17). Вольтамперная характеристика диода определяется следующими выражениями [67]:

для прямой ветви

Здесь Io=I. — обратный ток диода при температуре TNOM; N — коэффициент инжекции; BV, IBV — напряжение и ток пробоя; Ui — температурный потенциал перехода; U — напряжение на диоде.

При расчете переходных процессов используется эквивалентная схема диода на рис. 4.50, б, для которой емкость перехода определяется с помощью выражений [67]:

В приведенных формулах т — время переноса заряда; CJO — барьерная емкость при нулевом смещении на переходе;

VJ — контактная разность потенциалов;

т=0,33... 0,5 — параметр перехода.

При малых уровнях сигналов используется линеаризованная эквивалентная схема (рис. 4.50, в), на которой проводимость G=dI/dU=I,,exp(U/(N-Ut))/(N-Ut). При этом емкость перехода определяется формулами [67]:

Исследование прямой ветви ВАХ диодов может быть проведено с помощью схемы на рис. 4.50, г. Она состоит из источника тока I, амперметра А (можно обойтись и без него, поскольку регистрируемый ток точно равен задаваемому), исследуемого диода VD и вольтметра V для измерения напряжения на диоде.

Для исследования обратной ветви ВАХ диода используется схема на рис. 4.51. В ней вместо источника тока используется источник напряжения Ui с защитным резистором Rz для ограничения тока через диод в случае его пробоя.

Кроме одиночных диодов, в библиотеке EWB имеется также диодный мостик, для которого можно дополнительно задать коэффициент эмиссии N (Emission Coefficient).

Светодиод — специально сконструированный диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области перехода сквозь прозрачное окно в корпусе.

При прохождении через диод тока в прилегающих к переходу областях полупроводника происходит интенсивная рекомбинация носителей зарядов — электронов и дырок. Часть освобождающейся энергии выделяется в виде квантов света. В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника излучение может иметь длину волны либо в области видимого глазом света, либо невидимого инфракрасного излучения. Излучение переходов на основе арсенида галлия имеет длину волны около 0,8 мкм. Переходы из карбида кремния или фосфида галлия излучают видимый свет в диапазоне от красного до голубого цвета. Важнейшими параметрами светодиода являются яркость, измеряемая в нитах при определенном значении прямого тока, и цвет свечения (или спектральный состав излучения).

Для светодиода дополнительно указывается минимальный ток в прямом направлении Turn-on current (Ion), при превышении которого светодиод зажигается. Для измерения ВАХ светодиодов можно использовать приведенные выше схемы.

Переключающие диоды ср—п—р—п- или п—р—п—р-структурами — это ти-ристоры. Тиристоры, имеющие выводы от крайних электродов, называют динисто-рами, а приборы с третьим выводом (от одного из средних электродов) — тринисторами. Кроме того, к классу тиристоров относятся симметричные динисто-ры (диаки), симметричные тринисторы (триаки) и достаточно редкий тип динисто-ра — диод Шокли, в котором структура р—п—р—п организована за счет наличия в р—тг-переходе ловушек, формируемых путем легирования. На рис. 4.52 приведены обозначения переключающих диодов, модели которых имеются в программе EWB 4.1: (слева направо) диод Шокли, симметричный динистор (диак), тринистор и симметричный тринистор (триак).

Рис. 4.52. Переключающие диоды

Для переключательных диодов можно задать значения следующих параметров (для EWB 5.0 их обозначения указываются в квадратных скобках):

Saturation current Is [IS], A — обратный ток динистора;

Peak Off-state Current Idrm [IDRM], A — то же, но для тринистора;

Switching voltage Vs [VS], В — напряжение, при котором динистор переключается в открытое состояние;

Forward Breakover voltage Vdrm [VDRM], В — то же, но для тринистора при нулевом напряжении на управляющем электроде;

Peak On-State Voltage Vtm [VTM], В — падение напряжения в открытом состоянии;

Forward Current at wich Vtm is measured Itm [ITM], A — ток в открытом состоянии;

Turn-off time Tg [TG], с — время переключения в закрытое состояние;

Holding current Ih [IH], A — минимальный ток в открытом состоянии (если он меньше установленного, то прибор переходит в закрытое состояние);

Critical rate of off-state voltage rise dv/dt [DV/DT], В/мкс — допустимая скорость изменения напряжения на аноде тринистора, при котором он продолжает оставаться в закрытом состоянии (при большей скорости тринистор открывается);

Zero-bias junction capacitance Cj [CJO], Ф — барьерная емкость динистора при нулевом напряжении на переходе;

Gate Trigger voltage Vgt [VGT], В — напряжение на управляющем электроде открытого тринистора;

Gate Trigger current Igt [IGT], A — ток управляющего электрода;

Voltage at which Igt is measured Vd [VD], В — отпирающее напряжение на управляющем электроде.

Перечисленные параметры можно задать с помощью диалоговых окон, аналогичных приведенному на рис. 4.53 для тринистора.

Исследование прямой ветви ВАХ тринистора можно проводить с использованием схемы на рис. 4.54, на котором показаны источники входного напряжения Ui и напряжения управления Uy с защитными резисторами Rzt, Rzy. Измерение ВАХ проводится при изменении Ui от нуля до Udrm +50 В при фиксированном значении Uy, например, в трех точках 0,5Vd, Vd и l,5Vd. При исследовании обратной ветви ВАХ меняется только полярность Ui.

Следует отметить, что снятие ВАХ переключательных диодов может быть осуществлено также и в режиме заданных токов в силовой и управляющей цепи, т.е. с помощью схем, аналогичных приведенным на рис. 4.50 и 4.51.

Рис. 4.54. Схема для исследования тиристоров

Контрольные вопросы и задания

Вопросы составлены с учетом сведений, приведенных в Приложении 2.

1. Используя схему на рис. 4.50, исследуйте прямую ветвь ВАХ диода и стабилитрона и сравните эти данные с результатами расчетов по формуле (4.7).

2. Используя схему на рис. 4.51, исследуйте обратную ветвь ВАХ приборов из п. 1 и сравните полученные результаты с результатами расчетов по формуле (4.7).

3. Используя схемы на рис. 4.50 и 4.51, исследуйте ВАХ диода Шокли и симметричного динистора(диака).

4. Исследуйте ВАХ тринистора с использованием схемы на рис. 4.54. Составьте схему для исследования обратной ветви ВАХ.

5. Составьте схему для исследования ВАХ тринистора с использованием источников тока и сравните полученные результаты с результатами по п. 4.

6. Как устроен полупроводниковый диод?

7. Какие типы р—п-переходов Вы знаете?

8. Какой формулой описывается вольтамперная характеристика р—п-перехода?

9. Назовите типы пробоев р—л-перехода и дайте их краткую характеристику.

10. Перечислите составляющие емкости р—га-перехода.

11. Назовите и кратко охарактеризуйте типы полупроводниковых диодов.

12. Назовите типы и особенности переключательных диодов.