Барьерная и диффузионная емкости диода.

Полупроводниковый диод инерционен по отношению к достаточно быстрым изменениям тока или напряжения, поскольку новое распределение носителей устанавливается не сразу. Как известно , внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину объемных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции или экстракции меняются заряды в области базы (роль зарядов в эмиттере мало существенна). Следовательно, диод обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно p-n переходу. Эту емкость можно разделить на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение зарядов в базе. Такое разделение в общем условное, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при разных полярностях 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. Заметим заранее, что обе емкости не линейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная - от обратного напряжения.

Определим величину барьерной емкости, считая переход несимметричным типа n⁺-p. Тогда протяженность отрицательного заряда в базе р-типа можно считать равной всей ширине перехода: . Запишем модуль этого заряда:

, (7.9)

где N - концентрация примеси в базе; S - площадь перехода. Такой же (но положительный) заряд будет в эмиттерном слое.

Представим, что эти заряды расположены на обкладках воображаемого конденсатора, емкость которого можно определить как

Учитывая выражение ширины перехода при обратном включении, и дифференцируя заряд Q по напряжению, окончательно получаем:

(7.10)

где и соответственно ширина и высота потенциального барьера при равновесном состоянии.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его полную эквивалентную схему для переменного тока (рис.3.10а).

Рис.7.5а.

Сопротивление R₀ в этой схеме представляет суммарное сравнительно небольшое сопротивление n- и p- областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление R_нл при прямом включении равно R_пр, т.е. невелико, а при обратном напряжении R_нл= R_обр, т.е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частотных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и емкость можно не учитывать. Тогда при прямом смещении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀ и R_пр (рис.7.5б),

Рис.7.5б. Рис.7.5в.

а при обратном напряжении – только сопротивление R_обр, так как R₀<< R_обр (рис.7.5в).

На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис.7.5г, (если частота не очень высокая, то С_диф практически не влияет),

Рис.7.5г. Рис.7.5д.

а при обратном остаются R_обр и С_б (рис.7.5д).

Следует иметь ввиду, что существует еще емкость С_в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.

Классификация диодов.

Классификация диодов проводится в основном:

1) по технологическим методам создания электрических переходов и диодных структур

2) по выполняемой функции диодов.

По технологии изготовления диоды могут быть точечными и плоскостными. Основные характеристики точечных диодов: площадь p-n-перехода мала, имеют малую емкость (менее 1пФ), малые токи (не более 1 или десятков мА). Применяются на высоких частотах вплоть до свч. Технология: к пластинке германия n-типа или кремния n-типа приваривается при помощи большого импульса тока вольфрамовая нить, покрытая акцепторной примесью (для германия- индий, для кремния- алюминий).

Плоскостные диоды: технология изготовления может быть либо вплавление, либо диффузия. При вплавлении на очищенную поверхность полупроводниковой пластинки обычно n-типа помещается таблетка металлического акцепторного материала, например алюминий, если полупроводник кремний. При нагревании до 600…700⁰С она расплавляется и растворяет в себе прилегающий слой кремния, температура плавления которого значительно выше. После охлаждения у поверхности пластинки слой кремния р⁺-типа, насыщенный алюминием (эмиттер р-типа, база- n-типа). Диффузия: примесные атомы поступают обычно из газовой среды в полупроводниковую пластинку через ее поверхность при высокой температуре (около 1000 ⁰) и распространяются вглубь вследствие диффузии, т.е. теплового движения. Процесс осуществляется в специальных диффузионных печах, где с высокой точностью поддерживается температура и время процесса. Чем больше время и температура, тем дальше примеси проникают в глубь пластины. Диффузионный p-n-переход получается плоским, а его площадь велика и равна площади исходной пластины, рабочие токи достигают десятков ампер.

По выполняемой функции различают диоды выпрямительные, импульсные, преобразовательные, переключательные, детекторные диоды, стабилитроны, варикапы и т.д. Отдельные классы диодов могут подразделяться на подклассы в зависимости от диапазона рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ-диоды, диоды оптического диапазона). Различают диоды также по полупроводниковому материалу: наиболее широко применяется кремний, вытесняющий распространенный ранее германий. Кремниевые диоды имеют большую максимальную рабочую температуру (Si – 125…150⁰C, Ge – 70…80⁰C) и на несколько порядков меньший обратный ток. Непрерывно увеличивается число диодов на арсениде галлия (в частности, металл-полупроводниковых), превосходящих по параметрам кремниевые диоды.

Рассмотрим некоторые типы диодов и их основные параметры.

1.Выпрямительные низкочастотные диоды. Они используются в источниках питания для выпрямления переменного тока.

Основными электрическими параметрами диода являются величины U_пр.ср при заданном I_пр.ср, а также I_обр.ср при заданном амплитудном (максимальном) значении обратного напряжения (U_{обр.макс}) (U_пр.ср и I_обр.ср – средние значения прямого напряжения и обратного тока за период). Для кремниевых диодов с p-n переходом, имеющих наибольшее распространение, U_пр.ср не превышает 1..1,5В при Т=20⁰С. С ростом температуры эта величина уменьшается, причем ТКН зависит значения прямого тока; с ростом тока уменьшается, а при большом токе может стать даже положительным. Обратный ток кремниевых диодов при Т=20⁰С, как правило, не превышает десятых долей мкА, и увеличивается с ростом температуры (температура удвоения около 10⁰С). При Т=20⁰С обратным током можно пренебречь. Напряжение пробоя кремниевых диодов составляет сотни вольт и увеличивается с ростом температуры.

Прямое напряжение кремниевых диодов с переходом металл-полупроводник примерно в два раза меньше, чем в диодах с p-n переходом. А обратный ток несколько больше и сильнее зависит от температуры, удваиваясь на каждые 6..8⁰С.

При выборе типа диода учитывают предельно допустимый выпрямленный ток, обратное напряжение и температуру. В зависимости от допустимого тока различают диоды малой (<300мА), средней (<1А) и большой (>10А) мощности. Предельное обратное напряжение ограничено пробоем перехода и лежит в пределах от 50 до 1500В. Для увеличения допустимого обратного напряжения диоды соединяют последовательно. Несколько последовательно соединенных диодов, изготовленных в едином технологическом цикле и заключенных в общий корпус, называют выпрямительным столбом. Максимальная рабочая температура кремниевых диодов достигает 125..50⁰С и ограничена ростом обратного тока.

Маломощные диоды с небольшой площадью p-n перехода (менее 1мм²) создают методом вплавления, мощные – с большой площадью - методом диффузии. Силовые диоды с p-n переходом могут работать до частот обычно не более 1кГц, а диоды с переходом металл- полупроводник – до частот в сотни кГц.

Германиевые диоды имеют прямое напряжение примерно в 1,5..2 раза меньше, чем кремниевые (обычно не более0,5 В) из-за меньшей ширины запрещенной зоны. Оно в основном определяется падением напряжения на сопротивлении базы, в этом случае ТК U_пр >0. Обратный ток при Т=20⁰С на 2..3 порядка больше, чем в кремниевых диодах, и сильнее зависит от температуры. Удваиваясь на каждые 8⁰С, в связи с этим максимальная рабочая температура значительно ниже (70…80⁰С).

Тепловой механизм пробоя ведет к тому, что германиевые диоды выходят из строя даже при кратковременных импульсных перегрузках. Это является существенным недостатком. Напряжение пробоя уменьшается с ростом температуры.

2. Выпрямительные высокочастотные диоды. Эти диоды используются на частотах до десятков и сотен мегагерц в различных радиотехнических устройствах: детекторах, преобразователях частоты, смесителях, ограничителях и др. В работе всех этих устройств используются нелинейные свойства диода. Выпрямительные высокочастотные диоды универсальны, т.е. один и тот же диод может выполнять различные схемные функции. Поэтому электрические параметры являются общими и не отражают специфики применения в тех или иных устройствах. К ним относятся статические параметры, связанные с ВАХ, - прямое напряжение и обратный ток, и динамические параметры – емкость диода при обратном напряжении и время восстановления обратного сопротивления. Динамические параметры характеризуют быстродействие; чем меньше их значения, тем выше частота, на которой может работать диод. Для снижения емкости необходимо уменьшить площадь перехода; емкости высокочастотных диодов, как правило, не превышают 10 пФ и указываются на заданной частоте. Время восстановления обратного сопротивления определяется переходными процессами в диоде. Иногда приводят обобщенный динамический параметр – граничную частоту, на которой средний выпрямленный ток уменьшается до определенного уровня по сравнению с его значением на низкой частоте. Снижение среднего выпрямленного тока с увеличением частоты происходит из-за роста обратного тока, обусловленного емкостью. Для повышения граничной частоты необходимо снижать барьерную емкость (площадь перехода), диффузионную емкость (снижать время жизни неосновных носителей в базе или использовать переход металл- полупроводник), паразитную емкость выводов и сопротивление базы. Снижение сопротивление базы требуется для увеличения емкости перехода.

Из-за малой площади перехода предельно допустимые прямые токи высокочастотных диодов невелики (обычно менее 100мА), пробивные напряжения, как правило, не превышают 100В.

3. Импульсные диоды. Предназначены для работы в импульсном режиме, т.е. в устройствах формирования и преобразования импульсных сигналов, ключевых и цифровых схемах.

Важнейшим параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления. Оно характеризует переходный процесс переключения диода из состояния с заданным прямым током I_пр в состояние с заданным обратным напряжением U_обр. На рис.7.6 показаны временные диаграммы напряжения и тока через диод.

Рис.7.6.

Время восстановления t_вос отсчитывается момента t₁ изменения напряжения на диоде с прямого на обратное до момента t₂, когда обратное напряжение достигнет значения 0,1_пр. Время восстановления в диоде с p-n переходом определяется временем рассасывания заряда, накопленных в базе до переключения (до момента t₁), а также процессом перезаряда барьерной емкости. В импульсных диодах время восстановления должно быть как можно меньше; необходимо снижать время жизни неосновных носителей в базе, для чего кремниевые диоды с p-n переходом легируются золотом. Но для кремниевых диодов не удается получить время восстановления порядка менее 1нс. В арсениде галлия время жизни гораздо меньше, чем в кремнии, и в диодах с p-n переходом удается получить t_вос порядка 0,1 нс. Снижение барьерной емкости достигается уменьшением площади перехода. Наименьшее время восстановления (t_вос<0.1нс) имеют диоды с переходом металл-полупроводник, в которых отсутствует накопление неосновных носителей при протекании прямого тока. В них время восстановления порядка C_бr_б определяется процессом перезаряда барьерной емкости перехода через сопротивление базы.

Для всех импульсных диодов указывается емкость при определенном обратном напряжении и частоте переменного сигнала, используемого при измерении. Минимальные значения емкости составляют 0,1…1 пФ.

К специфическим параметрам импульсных диодов относятся максимальный импульсный обратный ток I_{обр.и.макс} и максимальное импульсное сопротивление r_{пр.и.макс}, равное отношению максимального прямого напряжения в процессе его установления к к прямому току. Значения этих величин желательно иметь как можно меньше.

Для импульсных диодов важны также и статические параметры, определяющие установившиеся значения тока и напряжений в схемах. К ним относятся прямое напряжение при заданном прямом токе и обратный ток при определенном обратном напряжении.

4. Стабилитроны. Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжений в схемах. стабилитроны используются в источниках питания, ограничителях, фиксаторах уровня, источниках опорного напряжения и других устройствах. Принцип действия стабилитронов основан на использовании лавинного или туннельного пробоя в p-n переходе. На рис.7.7 дана типичная вольт-амперная характеристика стабилитрона при обратном напряжении.

Рис.7.7.

На участке пробоя – рабочем участке ВАХ напряжение очень слабо зависит от тока. Минимальное значение рабочего тока I_ст.мин соответствует началу «вертикального» участка ВАХ, где достигается малое дифференциальное сопротивление r_диф=ΔU/ΔI. Максимальный ток I_ст.мах определяется допустимой рассеиваемой мощностью. Основной параметр – напряжение стабилизации U_ст, практически равное напряжению пробоя, задается при определенном значении тока I_ст на рабочем участке.

Схема включения стабилитрона приведена на рис.7.8.

Рис.7.8.

Здесь R_огр – ограничивающий резистор; R_н – резистор нагрузки, напряжение на котором U_н= U_ст. Ток, протекающий через ограничивающий резистор, равен I=(E-U_ст)/R_огр, а ток через стабилитрон I_ст=I-I_н, где I_н= U_ст/R_н, что соответствует рабочей точки с на рис.3.11. Если напряжение источника питания отклоняется на величину от номинального значения, ток через стабилитрон изменяется на Δ I_ст= ΔE)/R_огр при r_диф<<( R_огр ││ R_н ) и рабочая точка перемещается в пределах участка C^’C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину

(7.11)

Если изменяется ток нагрузки и. следовательно, нагрузки на величину Δ I_н, то примерно так же изменится ток через стабилитрон и Δ U=- r_дифΔI_н. Знак «-» означает, что увеличении тока нагрузки ток стабилитрона уменьшается. Для получения хорошей стабилизации дифференциальное сопротивление должно быть как можно меньше.

Напряжение пробоя p-n перехода уменьшается с ростом концентрации примесей базы. Для приборов различных типов U_ст может составлять от 3 до 200В.

Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который характеризует изменение напряжения U_ст при изменении температуры на один градус, т.е.

(7.12)

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10^-5 до 10^-3 К^-1. Значение U_ст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного полупроводника. Стабилитроны на напряжение до 7В изготавливаются из кремния с малым удельным сопротивлением, т.е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах p-n переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то p-n переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Температурный коэффициент стабилизации высоковольтных стабилитронов может быть уменьшен на 1…2 порядка, с помощью термостабилизации. Для этого обратно включенному p-n переходу стабилитрона соединяют последовательно с одним или двумя p-n переходами, включенными в прямом направлении. Известно, что прямое напряжение на p-n переходе уменьшается при повышении температуры, что компенсирует увеличение напряжения пробоя. Такие термокомпенсированные стабилитроны называются прецизионными. Они применяются в качестве источников опорного напряжения.

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R_н постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R_огр должно иметь определенное значение. Обычно R_огр рассчитывают для средней точки с характеристики стабилитрона. Если напряжение Е меняется от E_min до E_max, то можно R_огр найти по следующей формуле

(7.13)

где Е_ср=0,5(Е_min + Е_max) – среднее напряжение источника;

I_ср=0,5(I_min+ I_max) – средний ток стабилитрона;

I_н = U_ст/R_н – ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона , но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке будет почти постоянным. Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равное E_max- E_min, должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация, т.е. I_max- I_min. Отсюда следует, что если значение Е изменяется на ΔЕ, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия

(7.14)

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда E=const, а R_н изменяется в пределах от R_нmin до R_нmax. Для такого режима R_огр можно определить по средним значениям токов по формуле

(7.15)

I_{н ср}=0,5(I_{н min}+ I_{н max}) , причем I_нmin = U_ст/R_нmax и I_нmax = U_ст/R_нmin.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи.

5. Варикапы. Варикапами называют диоды, принцип действия которых основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от обратного напряжения. Таким образом. Варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые не механически, а электрически, т.е. изменением обратного напряжения. Они применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

Простейшая схема включения варикапа для настройки частоты колебательного контура представлена на рис.7.9.

Рис.7.9

Управляющее напряжение U подается на варикап VD через высокоомный резистор R, который уменьшает шунтирование варикапа и колебательного контура источником напряжения. Для устранения постоянного тока через элемент индуктивности колебательный контур подключается параллельно варикапу через разделительный конденсатор С_р большой емкости. Изменяя величину обратного напряжения и, следовательно, емкость варикапа и суммарную емкость колебательного контура, изменяют резонансную частоту последнего.

Основным полупроводниковым материалом для изготовления варикапа служит кремний, используется также арсенид галлия, обеспечивающий меньшее сопротивление базы.

К электрическим параметрам варикапа относятся емкость при номинальном, максимальном и минимальном напряжениях, измеренная на заданной частоте, коэффициент перекрытия по емкости, добротность, частотный диапазон, температурные коэффициенты емкости и добротности. В разных типах варикапов номинальная емкость может лежать в пределах от несколько единиц до несколько сотен пикофарад.