Читальный зал -->  Промышленная электроника 

1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

вием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется электрическим полем в области р-п перехода. При достижении определенной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар электрон-дырка также ускоряется электрическим полем, и они в свою очередь участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину р-п перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на р-п переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви / вольт-амперной характеристики (см. рис. 1.11,6).

Туннельный пробой - это электрический пробой р-п перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с узким р-п переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости п-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов р-области становится такой же, как энергия свободных электронов п-области (рис. 1.11, в). Электроны переходят на энергетической диаграмме как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свободную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе, соответственно, через р-п переход. В результате перехода дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный

ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на р-п переходе при туннельном пробое остается постоянным (вертикальный участок кривой 2 на рис. 1.11,6). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается.

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают р-п переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом р-п перехода, в результате которого происходит интенсивная генерация пар носителей заряда - разрушение ковалентных связей за счет тепловой энергии. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.

Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности р-п перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок р-п перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике (кривая 5 рис. 1.11,6) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на р-п переходе.

Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обратного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделяемое в р-п переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.

Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур и допустимое обратное напряжение (примерно 0,8 от пробивного).

Емкость р-л перехода. Электронно-дырочный переход обладает определенной электрической емкостью, складывающейся из двух емкостей - барьерной и диффузионной. Они создаются объемными зарядами противоположного знака: во-первых, неподвижными положительными зарядами ионов доноров и отрицательными- ионов акцепторов; во-вторых, подвижными объемными зарядами дырок и электронов, инжектированных из области, где они были основными, в область, где они являются неоснов-

ными. Во втором случае инжекция дырок из р-области в п-область создает в ней у границы большую концентрацию неосновных носителей положительного заряда, а инжекция электронов в противоположном направлении создает в р-области у границы большую концентрацию неосновных носителей отрицательного заряда.

Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в р-п переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь р-п перехода и меньше его ширина. Ширина р-п перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем больше 6/обр. Это используется в полупроводниковых приборах (варикапах), служащих конденсаторами переменной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади р-п перехода составляет десятки и сотни пикофарад.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе стороны от р-п перехода, где их концентрация в результате диффузии через р-п переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутствует.

Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном - барьерную.

Контрольные вопросы

1. Какие процессы происходят в р-п переходе при отсутствии внешнего напряжения?

2. Как влияет на величину потенциального барьера прямое напряжение на р-п переходе и какие процессы при этом происходят?

3. Как влияет на величину потенциального барьера обратное напряжение на р-п переходе и какие процессы при этом происходят?

4. Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику р-п перехода.

5. Какие виды пробоя могут произойти в р-п переходе?

6. Чем обусловлены барьерная и диффузионная емкости р-п перехода?

Глава 1.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

1.3.1. Устройство полупроводниковых диодов

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-п переходом и двумя выводами. Структура полупроводникового диода и его условное графическое обозначение показаны на рис. 1.12.

Полупроводниковые диоды нашли широкое применение в различных областях полупроводниковой техники. Промышленность выпускает разные типы полупроводниковых диодов: выпрямительные, детекторные, сверхвысокочастотные, туннельные и другие, а также полупроводниковые стабилитроны и варикапы.

Г7ТП

Рис. 1.12. Упрощенная структура (а) и Рис. 1.13. Схематическое устрой-условное графическое обозначение по- ство плоскостного (а) и точеч-лупроводникового диода (б) ного (б) диодов

По конструкции полупроводниковые диоды разделяют на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды имеют плоскостной переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше ширины / (рис. 1.13,а). У точечных диодов линейные размеры площади р-п перехода очень малы и соизмеримы с его шириной. Точечный р-п переход создается около контакта острия металлической пружины с полупроводниковым кристаллом п-типа (рис. 1.13,6).

Точечные диоды имеют малую емкость р-п перехода благодаря его небольшим размерам. Они могут работать в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, но допускают только малые токи и небольшие обратные напряжения. Эти диоды находят применение в маломощных высокочастотных устройствах, в частности, для детектирования радиосигналов.

Наибольшее распространение получили плоскостные диоды. Они используются как выпрямительные для преобразования переменного тока в постоянный, как стабилитроны - для стабилизации выпрямленного напряжения, а также для других целей.

Двухслойные структуры с плоскостным р-п переходом созда-

ются чаще всего по сплавной или диффузионной технологии. При изготовлении германиевого диода методом сплавления в пластину германия п-типа вплавляется таблетка индия (рис. 1.14,а). В процессе термической обработки атомы индия проникают в германий, создавая тонкий слой р-типа. Концентрация акцепторной примеси в р-области значительно превышает концентрацию донорной примеси в п-области, т. е. получается несимметричный р-п переход. В таком диоде прямой ток создается в основном инжекцией дырок из р-области в п-область: р-область является эмиттером, а п-область - базой.

Методом сплавления может быть изготовлен и кремниевый диод. В этом случае основным материалом является кремний

Рис. 1.14. Структура полупроводниковых диодов, изготовленных методами сплавления (а) и диффузии (б)

п-типа, а для получения акцепторной примеси используется таблетка алюминия.

Прямой ток протекает внутри диода от р-области к п-области. Выводы, соединяющие эти области с внешней электрической цепью, выполняют из металлов, создающих с полупроводником омический, т. е. невыпрямляющий, контакт. Вывод, от которого прямой ток течет во внешнюю электрическую цепь, называют катодным (К), а вывод, к которому прямой ток течет из внешней цепи, - анодным (А).

При диффузионной технологии, наиболее широко применяемой для изготовления кремниевых диодов, особенно средней и большей мощности, основой служит также пластина кремния п-типа (рис. 1.14,6). В технологическом процессе через поверхность такой пластины при высокой температуре осуществляют диффузию атомов акцепторной примеси - алюминия или бора, который может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Омические контакты для выводов создают напылением алюминия в вакууме. Полученную двухслойную полупроводниковую структуру в виде кристалла с двумя областями - электронной и дырочной - укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметический корпус, защищающий кристалл от внешних воздействий. Внешние выводы электродов соединяются с внутренними выводами от областей, которые изолируются от корпуса стеклянными изоляторами.

1.3.2. Принцип действия, характеристики и параметры выпрямительных диодов

Принцип действия выпрямительных диодов основан на свойстве односторонней электропроводности р-п перехода. Если к диоду подвести переменное напряжение (рис. 1.15), то в течение одного полупериода, когда на аноде положительная полуволна, на р-п переходе действует прямое напряжение. При этом сопротивление диода мало; через него протекает большой прямой ток. В следующий полупериод полярность напряжения на диоде меняется на обратную. Его сопротивление значительно увеличивается; через него проходит очень малый обратный ток. Нагрузку

Рис. 1.15. Применение диода для выпрямления переменного тока

¥1

выпр

/?н включают в цепь источника питания последовательно с диодом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном направлении, поскольку обратным током по сравнению с прямым можно пренебречь. Таким образом происходит выпрямление, т. е. преобразование переменного тока в постоянный по направлению (пульсирующий).

Схема выпрямления с одним диодом, в которой ток проходит через нагрузку в течение половины периода, является простейшей. На практике применяют более сложные схемы.

Вольт-амперная характеристика диода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения. Ее вид определяется вольт-амперной характеристикой р-п перехода (см. рис. 1.11). Реальные характеристики отличаются от идеальных из-за влияния различных факторов. Вольт-амперная характеристика диода, как и р-п перехода, имеет две ветви: прямую и обратную.

Схема для снятия вольт-амперной характеристики диода приведена на рис. 1.16. При снятии прямой ветви в схему включаются миллиамперметр для измерения прямого тока и вольтметр, позволяющий измерить доли вольта. Для получения обратной ветви необходимо изменить полярность подаваемого напряжения, включить микроамперметр, измеряющий обратный ток, и вольтметр со шкалой на десятки и сотни вольт.

На рис. 1.17 представлены реальные вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диода. В области очень малых прямых напряжений, пока не скомпенсирован потенци-

1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.