Выпрямительные плоскостные диоды.

Большую группу полупроводниковых диодов составляют плоскостные выпрямительные диоды, предназначенные для преобразования (выпрямления) переменного напряжения низкой частоты 50 Гц ¸ 1 кГц (иногда до 50 кГц) в постоянное. Часто их называют силовыми диодами. Принцип работы вып­рямительных диодов основан на использовании резко выраженной односто­ронней проводимости р-п перехода. Устройство плоскостного полупроводникового диода схематически показано на рис.2.1.

Вольтамперная характеристика реального диода отличается от теоретической вольтамперной характеристики идеализированного р-п перехода (рис. 2.2). Расхождение в обратных, ветвях связано, во-первых, с наличием поверхностного тока утечки I_ут, который растёт пропорционально обрат­ному напряжению. Его величина может существенно изменяться в зависи­мости от времени и состояния окружающей среды. Во-вторых, величина обратного тока увеличивается за счет термотока I_T, обусловленного процес­сом генерации носителей тока в самом переходе. С ростом обратного напряжения величина термотока увеличивается пропорционально .

В современных диодах, благодаря специальной обработке и защите перехода от внешних воздействий, ток утечки всегда существенно меньше термотока.

На ход прямой ветви оказывает влияние омическое сопротивление базы r_б диода. Прямой ток создает на базе падение напряжения . Поэтому напряжение, действующее непосредственно на р-п переходе будет меньше приложенного на величину U_б, и уравнение вольтамперной характеристики диода следует записать так:

(2.1 )

где I₀ - тепловой ток, j _T - температурный потенциал.

В области больших токов за счет наличия r_б зависимость I от U становится линейной. Вольтамперная характеристика реального плоскостного полупроводникового диода показана на рис. 2.2. Там же показаны составляющие обратного тока и с целью сравнения нанесена теоретическая характеристика.

Для наглядности обратные ветви в отличие от прямых изображены в более крупном масштабе по току и в более мелком по напряжению.

2.2. Параметры выпрямительных диодов.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

1. Максимальное обратное напряжение U_{обр макс} (любой формы и периодичности).

2. Максимально допустимый средний выпрямленный ток I_{вп ср макс.}

3. Постоянное прямое напряжение на диоде U_пр при некотором заданном прямом токе.

4. Обратный ток I_обр при некотором обратном напряжении.

5. Емкость диода С_д при подаче на него некоторого обратного напряжения.

6. Диапазон частот Δ f, в пределах которого средний выпрямленный ток не

менее заданной доли тока на низшей частоте диапазона.

7. Рабочий диапазон температур.

Все параметры диодов обычно указываются для работы при темпера­туре окружающей среды 20±5⁰C.

Выпрямительные плоскостные диоды бывают малой, средней и большой мощности, что соответствует значениям I_{вп ср макс} до 300 мА, от 300 мА до 10 А, и больше 10 А. Диоды изготавливаются из германия и кремния.

2.3. Условные обозначения выпрямительных диодов.

Выпрямительные германиевые диоды. Эти диоды изготавливаются, как правило, вплавлением индия в германий типа n. Вольтамперная характеристика германиевого диода высокого качества практически совпадает с характеристикой р-п перехода.

На рис. 2.3 приведены характеристики маломощного германиевого диода Д7Ж. Обратная ветвь имеет хорошо выраженный участок насыщения. Величина тока насыщения обычно бывает не более десятых или сотых долей мА для диодов малой мощности и единиц мА для диодов большой мощности. Допус­тимые обратные напряжения не превышают 400 В. Пробой носит тепловой характер, поэтому с повышением температуры окружающей среды пробивное напряжение падает рис. 2.3. Германиевые диоды допускают плотность тока до 100 A/cм² при прямом напряжении порядка 0.8 В. Рабочая температура лежит в пределах от –60⁰C до +75⁰С. Мощные германиевые диоды изготовляются на выпрямленный ток до 1000 А и обратное напряжение до 150 В. Они работают с естественным или принудительным воздушным или водяным охлаждением.

2.4. Выпрямительные кремниевые диоды.

Они получили в последнее время особенно большое распространение. Изготовляются вплавлением алюминия в кремний n типа, а также сплава олова с фосфором или золота с сурьмой в кремний р типа. Применяется и диффузионный метод.

На рис.2.4 приведены вольтамперные характеристики диода. Они не имеют участка насыщения. Обратный ток кремниевых диодов значи­тельно меньше, чем германиевых. Допустимое обратное напряжение может достигать 1000 B и более. С увеличением температуры окружающей среды пробив­ное напряжение увеличивается, что объясняется лавинным характером пробоя р-п перехода. Предельная плотность тока кремниевых диодов выше (порядка 200 А/см²). Прямое напряжение при номинальном прямом токе сос­тавляет (1¸2) В, т.е. в 1,5-2 раза больше, чем у германиевых дио­дов. Диапазон рабочих температур от –60⁰C до +125⁰С.

Мощные кремниевые диоды выпускаются на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратное напряжение от 50 до 1000 В.

2.5. Высокочастотные диоды.

Условные обозначения высокочастотных диодов совпадают с условными убозначениями выпрямительных диодов.

Высокочастотные диоды применяются для выпрямления (детектирова­ния) колебаний высокой частоты (до сотен мегагерц) и других нелиней­ных преобразований.

Плоскостные диоды для выпрямления высокочастотных колебаний непригодны из-за большой величины емкости перехода С_p-n. В высокочастотных диодах с целью уменьшения емкости уменьшают площадь S перехода. Их подразделяют на точечные и микросплавные (микроплоскостные). Последние имеют несколько большую площадь перехода и предназначены для работы на частотах до 20 МГц.

В точечных диодах р-п переход получают ток так называемой формов­кой. Процесс формовки заключается в следующем. Тонкую заостренную про­волочку (иглу) с нанесенной на нее примесью приваривают при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, создающие область с противоположным типом электропроводности. Таким образом, в месте контакта иглы с полупроводником образуется ми­ниатюрный р-п переход полусферической формы.

Германиевые точечные диоды обычно изготовляются из n германия, к которому приваривает проволочку из бериллиевой бронзы или вольфра­ма, покрытого индием. Полученная область германия типа р представ­ляет собой эмиттер.

Для изготовления кремниевых точечных диодов используется n кремний и игла, покрытая алюминием, который служит акцептором. Большинст­во германиевых и кремниевых точечных диодов имеют барьерную емкость не более

1 пФ, но их диффузионная емкость сравнительно велика.

Малая площадь перехода ограничивает величину прямого тока диода. Выпускаются диоды у которых I_{вп ср макс} составляет 100 мА, а мак­симальное обратное напряжение - 150 В.

Особенностью вольтамперной характеристики точечного диода являет­ся отсутствие участка насыщения. Обратный ток существенно возрастает за счет тока утечки и заметного повышения температуры перехода, т.к. теплоотвод затруднен из-за малой площади контакта пере­хода с основной пластиной полупроводника. Для точечных диодов характерен большой разброс параметров. Микросплавные диоды в отличие от точечных имеют большую стабиль­ность параметров, но емкость перехода у них больше, и поэтому частотныйдиапазон уже.

Эквивалентная схема высокочастотного диода для малого переменного сигнала состоит из эквивалентной схемы собственного p-n перехода (см. рис.1.15) и включенного с ней последовательного сопротивления r_s, называемого сопротивлением растекания. Оно определяется сопротивлением области полуп­роводника, расположенного вблизи p-n перехода, где сгущаются линии тока.

2.6. Кремниевые стабилитроны (опорные диоды).

2.7. Условные обозначения кремниевых стабилитронов.

Стабилитронами, или опорными диодами называется кремниевые диоды, принцип работы которых основан на использовании явления лавинного или туннельного пробоя p-n перехода. Следовательно, рабочим участком вольтамперной характеристики стабилитрона является участок обратной ветви характеристики p-n перехода, соответствующий пробою.

Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона показана на (рис.2.5). Наличие участка АБ, где большему изменению тока соответствует малое изменение напряжения, позволяет использовать стабилитроны для стабилизации напряжения и в качестве источников эталонного напря­жения (германиевые диоды не имеют такого участка, так как пробой у них сразу переходит в тепловой, и поэтому не могут быть использованы для подобных целей).

2.8.Параметры стабилитронов.

Основными параметрами стабилитрона является:

1. Номинальное напряжение стабилизации U_{ст ном} - падение напряжения на стабилитроне при протекании через него определенного тока. Отечест­венной промышленностью выпускаются стабилитроны на напряжения стабили­зации от 3 до 300 В.

Различное напряжение стабилизации обеспечивается подбором удельного сопротивления кремния (т.е. концентрации примесей). Так, низковольтные стабилитроны изготавливаются из сильного легированного кремния. В таком переходе развивается туннельный пробой. Практи­чески туннельный пробой имеет место при U_{ст ном} < 5 В. При U_{ст ном} = (5 ¸ 7)В одновременно существуют туннельный и лавинный пробой. В дальнейшем с ростом U_{ст ном} вклад туннельного пробоя уменьшается и при напряжениях более 10 В основную роль играет лавинный пробой.

2. Минимальный I_{ст мин} и максимальный I_{ст макс} токи стабилизации. Минимальный ток стабилизации определяется условием получения устойчивого пробоя р-п перехода и имеет порядок единиц десятков миллиампер. Максимальный ток стабилизации ограничивается мощностью рассеяния

. 0В выпускаемых стабилитронах лежит в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер, - от сотен милливатт до единиц ватт.

3. Дифференциальное сопротивление , вычисляемое на рабо­чем участке. Оно может быть от десятых долей ома для низковольтных мощных стабилитронов до (100 ¸ 200) 0м для стабилитронов на более вы­сокие напряжения. Низковольтные стабилитроны малой мощности имеют R_диф. порядка единиц - десятков 0м.

4. Сопротивление постоянному току Это сопротивление всегда больше R _диф. (на рабочем участке).

5.Температурный коэффициент напряжения стабилизации

представляет собой отношение относительного приращения напряжения стабилизации к приращению температуры окружающей среды. ТКН обычно из­меряется в .

Величина и знак ТКН зависят от напряжения стабилизации (рис. 2.6) у стабилитронов с U_{ст. ном} > 5В ТКН положителен, т.к. пробой носит преи­мущественно лавинный характер. В низковольтных стабилитронах, у кото­рых имеет место туннельный пробой, ТКН отрицателен.

Температурный коэффициент напряжения может быть от тысячных до десятых долей процента на градус.

Для уменьшения ТКН последовательно c p-n переходом, работающим при обратном смещении, включают p-n переход (один или несколько), смещенный в прямом направлении. Поскольку прямое напряжение на p-n переходе уменьшается с ростом температуры, то результирующий ТКН, равный алгебраической сумме ТКН отдельных переходов, может быть сделан достаточно малым. Примером такого стабилитрона служит прецизионный стаби­литрон Д818, у которого последовательно с основным включены два компенсирующих p-n перехода. Среднее значение ТКН при этом в диапазоне температур от –60⁰С до +120⁰С получается не более .

2.9. Варикапы.

Варикапами, или параметрическими диодами называют полупроводнико­вые диоды, используемые в качестве переменной емкости, управляемой электрическим путем. Принцип работы варикапов основан на свойстве перехода изменять свою емкость под воздействием приложенного напряжения.

Диффузионная емкость перехода не используется в качестве управля­емой. Объясняется это малой добротностью диффузионной емкости (она шунтируется малым сопротивлением открытого р-п перехода).

В варикапах используется барьерная емкость р-п перехода, так как она имеет относительно высокую добротность, малый температурный коэффициент емкости (ТКЕ), низкий уровень собственных шумов и не зави­сит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона. Варикапы предназначаются для работы в параметрических усилителях, преобразователях постоянного напряжения в переменное, измеритель­ных усилителях, автогенераторах синусоидальных колебаний, в блоках высокой частоты в качестве подстраивающего элемента в контурах. Они удобны тем, что позволяют дистанционно и практически безинерционно менять емкость посредством изменения постоянного обратного напряжения. Зави­симость емкости варикапа (Д902) от обратного напряжения показана на рис. 2.7.

На рис. 2.8 дан пример использования варикапа в качестве элемента настройки колебательного контура. Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура. Добавочный резистор R₁ с большим сопротивлением включен для того, чтобы заметно не снижалось добротность контура от шунтирую­щего влияния потенциометра R. Конденсатор C служит для того, чтобы по постоянному току варикап не оказался замкнутым накоротко катуш­кой контура.

Эквивалентная схема варикапа на малом синусоидальном сигнале высокой частоты представлена на рис. 2.9.

Параметры варикапов. Основными параметрами варикапов являются:

1. Добротность Q. Она представляет собой отношение реактивной мощности , запасаемой барьерной емкостью, к мощности потерь , обусловленной дифференциальным сопротивле­нием p-n перехода и сопротивлением базы варикапа r_б (сюда же относят и сопротивление выводов):

, где - угол сдвига фазы между током и напряжением, X(w) - полное реактивное, а R(w) - полное активное сопротивление цепи, показанной на рис. 2.9.

На низких частотах, пренебрегая сопротивлением r_б, легко полу­чить: (2.2 )

На высоких частотах можно пренебречь влиянием R_д , Тогда:

(2.3)

Характер зависимости добротности от частоты для варикапа с С_бар = 50 nФ,

r_б = 2 Ома, R _диф. = 10⁷ 0м приведен на рис. 2.10.

Задаваясь некоторым минимально допустимым значением добротности на основании формул (2.2) и (2.3) можно определить границы рабочего диапазона частот f_мин и f_макс.

Выражение (2.3) показывает, что для высокочастотных варикапов необходимо уменьшать сопротивление базы.

2. Номинальная емкость С_ном (при заданных U_обр, частоте f и температуре окружающей среды).

3. Коэффициент перекрытия по емкости .Например,

варикапы серии Д901 имеют K_С = 3 - 4.

4. Температурный коэффициент емкости ТКЕ, равный отношению относительного изменения барьерной емкости к приращению температуры окру­жающей среды:

.

Для указанных выше варикапов ТКЕ = (5*10^-4¸2*10^-4) 1/град при изменении U_обр от 4 до 40 В.

5. Максимальное обратное напряжение U_{обр макс}.

6. Максимальный обратный ток I_{обр макс} (при U_{обр макс}).

7. Максимально допустимая мощность рассеяния P_макс (P_макс от десятков и сотен мВт до единиц Вт).

8. Рабочий диапазон температур (от –55⁰С до 100⁰С).

2.10. Импульсные диоды.

Импульсными называют диоды, которые предназначены для работы в импульсных схемах: широкополосных ограничителях, элементах цифровых вычислительных машин, ключевых устройствах и т.д. В таких схемах напряжения и токи могут меняться скачками. При этом диод часто работает в режиме переключения: из состояния "открыто" переходит в состояние "закрыто" либо наоборот.

Переключение диода из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение некоторого конечного интервала времени, что ог­раничивает быстродействие импульсных схем. В основе инерционности процессов переключения лежат явления накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе диода. Этот заряд образуется при протекании через диод прямого тока и представляет собой заряд инжектированных дырок (имеется в виду диод с базой типа n) и электронов, поступающих в базу от внешнего источника для обеспечения ее электрической нейтральности. Он получил название накопленного за­ряда диода.

Если через диод протекает импульс прямого тока с амплитудой I_{пр и}и длительностью T_и, то к моменту окончания импульса, накопленный заряд равен:

При

В случае, если толщина базы диода w<<L_p, (L_p - диффузионная длина для дырок) накопленный заряд опре­деляется не временем жизни t_p, а временем пролёта носителей через базу , (D_p - коэффицент диффузии дырок):

.

Рассмотрим два наиболее часто встречающихся на практике режима работы диода:

1. Прохождение прямоугольного импульса прямого тока через диод.

2. Переключение диода из открытого состояния в закрытое (переключение с прямого напряжения на обратное)

Прохождение импульса прямого тока через диод. Этот режим работы иллюстрируется простейшей схемой рис. 2.11.

В момент замыкания ключа Кл (t = tвкл, рис. 2.11) через диод начинает протекать прямой ток Iпри, величина которого определяется э.д.с. источника E и резистором R:

(рис. 2.12,а).

При резком возрастании тока вследствие инерционности процессов диффузии стационарное распределение концентрации не основных неравновесных носителей в базе диода, соответствующее току Iпри, не может установиться мгновенно. На рис. 2.13 показано распределение дырок в базе диода в различные моменты времени (стрелки показывают направление увеличения времени).

В начальные моменты времени после включения тока происходит накопление инжектируемых дырок, так как скорость рекомбинации их (Q_инж – заряд инжектированных дырок) невелика ввиду малости Q_инж. С увеличением заряда Q_инж скорость рекомбинации возрастает. Заряд достигает своего стационарного значения, когда все дырки, инжектируемые через переход, рекомбинируют в базе. Из рис. 2.13 следует, что в области базы, примыкающей к p-n переходу, концентрация дырок устанавливается быстрее, чем в глубине базы. В соответствии с этим напряжение на p-n переходе , определяемое величиной p_n(0,t), устанавливается быстрее, нежели напряжение на базе . Характер установления напряжения на p-n переходе показан на рис. 2.12.б. Как видно, p-n переход ведет себя подобно конденсатору.

Падение напряжения на базе меняется так, как показано на рис. 2.12,в.

В начальный момент после подачи импульса тока сопротивление базы определяется лишь ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением полупроводника. В дальнейшем с течением времени полное сопротивление базы будет уменьшаться за счет накопления инжектированных дырок и электронов, вошедших в базу от внешнего источника. Вследствие этого, падение напряжения на базе будет уменьшаться. Таким образом, базовая область в противоположность p-n переходу имеет индуктивную реакцию. Разница между и будет тем значительнее, чем больше величина прямого тока. Поэтому напряжение на диоде будет зависеть от величины и протекать по трем различным законам.

При малых токах, когда значительно меньше диод ведет себя как емкость: напряжение постепенно нарастает до установившегося значения.

При больших токах определяющими становятся процессы в области ба­зы, и диод ведет себя подобно индуктивности: после броска прямого нап­ряжения наблюдается его постепенный спад. В промежуточных случаях процесс установления напряжения на диоде может носить колебательный характер. Последнее связано с тем, что при средних величинах тока нарастание напряжения не может компенсировать для любого момента времени уменьшение напряжения , т.к. скорости изменения этих напряжений различны.

На рис. 2.14 представлены графики установления напряжения на диоде для трех рассмотренных случаях.

Процесс установления напряжения на диоде для первого случая при­нято характеризовать двумя, параметрами: максимальным импульсным сопро­тивлением R_июмакс и временем установления прямого сопротивления диода t_уст.

Импульсным сопротивлением диода называется отношение максималь­ного импульсного прямого напряжения на диоде U_{пр и макс} к импульсу прямого тока I_при, т.е. . Временем установления прямого сопротивления диода называют интер­вал времени от начала включения импульса прямого тока до момента, ког­да напряжение на диоде упадет до (рис. 2.14 ).

При выключении импульса прямого тока будет наблюдаться переходный процесс рассасывания накопленных в базе неравновесных носителей. Этот процесс заключается в рекомбинации неравновесных носителей и их уходе во внешнюю цепь, если последняя замкнута.

В течение всего времени, пока на границе p-n перехода имеется неравновесная концентрация носителей, р-п переход остается смещен­ным в прямом направлении, и его можно рассматривать как генератор нап­ряжения. При этом возможны следующие случаи:

1. В момент выключения прямого тока цепь диода размыкается. Па­дение напряжения u_Б(t) становится равным нулю. Нестационарное нап­ряжение на диоде, называемое послеинжекционной э.д.с., затухает со временем вследствие рекомбинации неравновесных носителей в объеме базы и на контактах (рис.2.15). Ток в цепи естественно отсутствует. Уменьшение послеинжекционной э.д.с. описывается выражениями:

т.е. вначале послеинжекционная э.д.с. спадает по линейному закону, а затем - по экспоненциальному (рис. 2.15).

2. После выключения прямого тока цепь диода остается замкнутой вследствие подключенного параллельно диоду резистора нагрузки . В этом случае, после прекращения прямого тока через диод начинает про­текать ток обратного направления, обусловленный послеинжекционной э.д.с. и равный

. Процесс рассасывания убыстряется, и спад напряжения на диоде происходит быстрее (рис. 2.15). Причем в начале не влияет на вид функции , так как убыль избыточных дырок в объеме базы за счет рекомбинации превышает их убыль за счет обратного тока. В дальнейшем же убыль дырок будет в основном определяться только протекающим током.

Переключение диода с прямого напряжения на обратное. Простейшая схема для наблюдения картины переходного процесса тока диода при переключении его c пря­мого напряжения на обратное представлена на рис.2.16.

Резистор определяет величину прямого тока через диод. Сопротивление резистора выбирается малым (от единиц до десятых долей Ома).

Рассмотрим процессы, протекающие в диоде после мгновенного из­менения знака приложенного напряжения на обратный.

На рис. 2.17 показано распределение концентрации дырок в базе диода в различные моменты времени после переключения.

Стрелки указы­вают направление возрастания времени. В момент переключения ток через диод изменяет свое направление на обратное, и

изменяется знак градиента концентрации при . Дырки начинают уходить из n области в р область. Одновременно из базы во внешнюю цепь в таком же количестве будут выводиться электроны, вследствие чего сохраняется электрическая нейтральность базы. Концентрация неравновесных носителей в базе будет уменьшаться как за счет рассмотренного процесса, так и их рекомбинации. Поэтому из базы будет выводиться меньший, чем накопленный , заряд неравновесных носи­телей , называемый зарядом переключения.

В начальной стадии переходного процесса, пока больше своего равновесного значения , на р-п переходе сохраняется прямое напряжение, равное . В некоторый момент времени становится равным , и переходит через ноль, а затем меняет знак.

После этого наблюдается уменьшение тока, так как начинает уменьшаться градиент концентра­ции дырок на границе р-n перехода.

На рис. 2.18 показаны зависимости тока диода и напряжения на нем в процессе переключения. Весь переходный процесс можно разделить на две фазы. В течение первой фазы, длительностью , когда на гра­нице р-n перехода (х=0) , в цепи протекает обратный ток . Величина этого тока определяется только параметрами внешней це­пи и не зависит от свойств самого диода: . Первую фазу называют фазой высокой обратной проводимости. Длительность её возрастает с увеличением , так как уменьшается количество носителей, отводимых во внешнюю цепь в единицу времени. Однако возрастание не может быть неограниченным, поскольку носители не только отводятся во внешнюю часть, но и рекомбинируют в объеме базы. Для плоскостных импульсных диодов

и .

В течение первой фазы напряжение на диоде положительно и становится равным нулю в конце ее. Прикладываемое обратное напряжение падает в это время на .

Вторая фаза переходного процесса - фаза восстановления обратного сопротивления диода. Во время этой фазы обратный ток спадает по за­кону, определяемому свойствами самого диода. Теоретически вторая фаза продолжается неограниченно долго. Практически длительность ее определяется интервалом времени (рис. 2.18,б), по истечении которой обратный ток достигает заданного малого значения (k - величина, несколько большая единицы). У плоскостных диодов .

Если из схемы рис. 2.16, исключить R₁ и R₂ и пренебречь сопротивлением базы и омических контактов, то со временем изменение концентрации дырок в базе после переключения будет происходить так, как пока­зано на рис. 2.17 прерывистыми линиями. Этому соответствует бесконеч­но большой выброс обратного тока (рис. 2.18,б). На самом деле такого выброса не будет, так как объемное сопротивление базы и омических контактов реальных диодов составляют величину порядка нескольких омов.

Основным параметром, характеризующим работу диода в режиме переключения является время восстановления обратного сопротивления. Это интер­вал времени (рис. 2.18 б), измеряемый от момента прохождения тока через ноль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного (отсчетного) значения (рис. 2.18 б).

Кроме того, электрические свойства импульсных диодов характеризуются максимальным обратным напряжением , прямым падением напряжения при заданном прямом токе , обратным током при заданном напряжении .

Предельный режим работы импульсных диодов характеризуют максимальным импульсным обратным напряжением и максимальным зна­чением импульса прямого тока .

2.11. Диоды с накоплением заряда. Диоды с накоплением заряда представляют собой разновидность импульсных диодов. Их особенностью является наличие электрического поля в базе, создавае­мого за счет неравномерного распределения в ней примесей. Примеры не­равномерного распределения примесей показаны на рис. 2. 19.

, то концентрация подвижных носителей .

Наличие градиента концентрации вызывает появление диффузионного тока электронов, направленного в сторону уменьшения их концентра­ции и равного . Уход электронов влечёт за собой появление не скомпенсированного

объемного заряда вследствие неравенства в каждой точке базы концентраций свободных электронов и атомов донорной примеси. Объемный заряд приводит к возникновению внутреннего электрического по­ля и, как следствие этого, к появлению дрейфовой составляющей тока электронов, равной .

Последняя направлена навстречу диффузионной. Результирующий ток в ус­ловиях термодинамического равновесия оказывается равным нулю:

.

Учитывая, что и, используя соотношение Эйнштейна

, получим

.

Это выражение показывает, что поле направлено в сторону уменьшения концентрации примеси (рис. 2.19).

Электрическое поле в базе воздействует на инжектированные эмиттером дырки. Так, поле на рис. 2.19, а ускоряет поток инжектированных в базу дырок, а поле на рис. 2.19,б тормозит этот поток. В первом случае по­ле называют ускоряющим, а во втором - тормозящим. При этом меняется характер распределения дырок в базе и скорость установления состоя­ния равновесия.

Вид переходных процессов в диоде определяется величиной поля и, главным образом, его направлением.

Если поле в базе тормозящее, то оно противодействует диффузионному распространению инжектированных дырок, т.е. как бы прижимает их к p-n переходу. Граничная концентрация дырок повышается по сравнению со случаем отсутствия поля: , где

(поле E предполагается постоянным). В удаленных областях базы концентрация дырок уменьшается. Степень прижатия дырок к переходу определя­ется величиной напряженности поля .

Увеличение граничной концентрации дырок приводит к увеличению длительности первой, фазы , так как возрастает время, необходимое для вытягивания дырок током первой фазы до такого состояния, когда их концентрация у p-n перехода становится равной .

Кроме того, длительность первой фазы увеличивается за счет дрейфа дырок из глубины базы к переходу под действием поля. Поэтому к началу второй фазы из базы диода будет выведена значительно большая доля избыточных дырок, и длительность последней будет меньше, чем у диода без тормозящего поля.

Ускоряющее поле способствует диффузионному распространению дырок в глубь базы, и граничная концентрация дырок уменьшается:

. Это приводит к уменьшению длительности фазы высокой обратной проводимости. Длительность фазы восстановления обратного сопротивления остается приблизительно такой же, как у диода без поля в базе, из-за оттягивания дырок от p-n перехода электричес­ким полем с последующей их рекомбинацией в глубине базы.

На рис. 2.20. иллюстрируется влияние поля на характер распределения дырок в базе и на изменение обратного тока диода при переключении его с прямого напряжения на обратное.

2.12. Туннельный диод

Туннельным диодом называется такой, принцип действия которого ос­нован на туннельном эффекте. В отличие от обычного диода, туннельный хорошо проводит ток в обратном направлении, а на прямой ветви его вольтамперной характеристики имеется падающий участок с отрица­тельным дифференциальным сопротивлением. Явление туннельного эффекта заключается в том, что электрон, обладающий энергией меньшей, чем высота потенциального барьера, может все же пройти сквозь барьер, если по другую сторону от барьера имеет­ся такой же свободный энергетический уровень. Таким образом, туннель­ный переход электронов происходит без изменения их энергии.

Для широких электронно-дырочных переходов с низкой напряженностью электрического поля вероятность туннельного перехода электро­нов мала. Так, например, для германия при напряженности поля в переходе 10⁶ В/м вероятность туннельного перехода электрона за 1 с состав­ляет 10^-100. При напряженности поля 10⁷ В/м через переход за счет туннельного эффектна будет проходить 1 электрон в 1 с , а при напряженности 10⁸ В/м - 10¹² электронов в секунду.

Приведенные цифры говорят о том, что туннельный переход электро­нов в существенной степени определяется напряженностью поля в электронно-дырочном переходе.

Повышением концентрации примесей в р и n областях диода можно увеличить напряженность поля в p-n переходе (за счет уменьше­ния его ширины ) до величины, при которой туннельный переход электронов резко увеличивается. Поэтому туннельные диоды изготав­ливаются на основе сильно легированных полупроводников таких, как германий, кремний, арсенид галлия. При этом толщина p-n перехода туннельного диода составляет около 10^-8 м, а напряженность поля получа­ется порядка (6 ¸ 7)10⁷ В/м.

Сильнее легирование p и n областей приводит к тому, что примесные локальные уровни размываются в зоны, перекрывающиеся с бли­жайшими разрешенными зонами (акцепторные уровни размываются в зону, перекрывающуюся с валентной зоной, а донорные - в зону, перек­рывающуюся с зоной проводимости).

Такое слияние зон происходит при некоторой критической концент­рации примесей. Например, для германия значение критической концент­рации составляет 2 ∙ 10²⁵ м^-3, а для кремния – около 6 ∙ 10²⁵ м^-3.

Уровень Ферми в этом случае лежит внутри разрешенных зон и рас­полагается приблизительно на расстоянии 3j_T от их границ. Таким об­разом, зонная диаграмма p-n перехода, образованного двумя сильно легированными полупроводниками принимает вид, показанный на рис.2.21.

Из рисунка видно, что напротив разрешенных уровней валентной зоны p полупроводника располагаются разрешенные уровни зоны проводимости n полупроводника. Там же упрощенно показано, что электроны стремятся занять более низкие энергетические уровни, и поэтому верхние уровни валентной зоны p области оказываются в основном занятыми дырками, а уровни, лежащие вблизи дна зоны проводимости n области, оказываются в ос­новном занятыми электронами.

На рис. 2.22. приведена вольтамперная характеристика туннельного диода. При отсутствии внешнего напряжения имеются одинаковые условия для туннельного перехода электронов слева направо и справа налево; в состоянии термодинамического равновесия ток равен нулю (рис. 2.22 а). Если на туннельный диод подано прямое напряжение, то часть заполненных уровней зоны проводимости n области оказываются против почти пустых уровней валентной зоны p области. В этом случае начинает преобладать туннельный переход электронов из зоны проводимости n области в валентную зону p области. Причем туннельный ток имеет значительно большую величину, чем обычный диффузионный ток (рис.2.22.б). С увеличением прямого напряжения результирующий туннельный ток будет расти, так как будет возрастать переход электронов из n в p область: увеличивается число заполненных уровней в зоне проводимости n полупроводника, перекрывающихся с незаполненными уровнями валентной зоны p полупроводника. При этом обратный туннельный переход элек­тронов уменьшается.

При некотором напряжении на диоде суммарный туннельный ток достигнет максимума (рис. 2.22,в), а затем будет уменьшаться в связи с уменьшением перекрытия энергетических зон и числа уровней, на которые могут переходить электроны за счет туннельного эффекта. На вольтамперной характеристике туннельного диода появляется падающий участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.22,г).

Когда под воздействием прямого смещения энергетический уровень потолка валентной зоны р области совпадает с энергетическим уров­нем дна зоны проводимости n области, туннельный ток обратится в ноль (рис. 2.22,д). Однако при этом через диод течет ток, обусловлен­ный диффузией. Последний быстро увеличивается с ростом прямого напря­жения, и на вольтамперной характеристике наблюдается минимум (рис.2.22,д).

Если к диоду приложить обратное напряжение (рис. 2.22,ж), то вследствие увеличения туннельного перехода электронов из валентной зоны р области в зону проводимости n области будет быстро нарастать об­ратный ток. Поэтому туннельный диод обладает высокой проводимостью при обратном включении.

2.13. Параметры туннельных диодов.

Основными параметрами туннельного диода, связанными с его вольтамперной ха­рактеристикой (рис. 2.22), являются:

1. I_пик. - пиковый ток.

2. I_вп. - ток впадины, соответствующий минимуму вольтамперной характеристики.

3. U_{пик .}- напряжение пика.

4. U_вп. - напряжение впадины.

5. U_рр - напряжение раствора (прямое напряжение на второй прямой восходящей ветви вольтамперной характеристики при токе, равном пиковому).

6. - отношение пикового тока к току впадины.

7. R_д - отрицательное дифференциальное сопротивление диода.

Наличие участка вольтамперной характеристики диода о отрицатель­ным дифференциальным сопротивлением позволяет использовать туннель­ный диод в переключающих схемах, а также для усиления и генери­рования колебаний. В связи с тем, что перенос тока (ток переносится основными носителями) не связан с медленными процессами диффузии или дрейфа носителей, туннельный диод может работать на очень высоких частотах, до сотен ГГц. Частотные свойства диода ограничены условием сохранения отрицательного сопротивления по отношению к внешней цепи.

На рис. 2.23 представлена эквивалентная схема туннельного диода для малого синусоидального сигнала при работе на падающем участ­ке вольтамперной характеристики. На этой схеме L_д - индуктивность выводов диода, r_б- сопротивление базы диода (включает сопротивле­ние контактов и выводов), С_p-n - емкость перехода диода при заданном напряжении смещения, R_диф. - отрицательное дифференциальное сопротив­ление диода.

На некоторой частоте w сопротивление диода можно предста­вить в виде: .

На частоте , называемой критической частотой туннельного диода, его активная составляющая становится равной нулю, т.е. .

Определённая из этого условия критическая частота

.

. Исследование этого выражения на максимум относительно величины показывает, что при , .

Таким образом, частотные свойства туннельного диода определяются пос­тоянной времени .

Важно отметить, что туннельные диода могут работать как при очень низких, так и при белее высоких температурах, нежели другие приборы с p-n переходом на основе того же материала. Это объясняется сильным легированием p и n областей.

2.14. Обращённый диод.

Интересным вариантом туннельного диода является обращенный диод, вольтамперная характеристика которого изображена на (рис. 2.24). Подобная характеристика получается, если подобрать концентрации примесей так, чтобы при отсутствии смещения, границы зон совпадали. В этом случае уровень Ферми находится у краёв зон, и туннельный ток может проходить только при обратных напряжениях.