Když je pn přechod použit ve skutečných polovodičových zařízeních, lze na něj přivést externí napětí. Velikost a polarita tohoto napětí určuje chování přechodu a elektrického proudu, který jím prochází. Pokud je připojen kladný pól napájecího zdroje p-region, a negativní – do n-oblast, pak zapnutí p-n-přechod se nazývá přímý. Při změně určené polarity zapnutí p-n-přechod se nazývá inverzní.
Při přímém připojení p-n-přechod, vnější napětí vytváří v přechodu pole opačného směru než vnitřní difúzní pole, obrázek 2. Síla výsledného pole klesá, což je doprovázeno zúžením blokovací vrstvy. Díky tomu se velké množství majoritních nosičů náboje může difúzně pohybovat do sousední oblasti (driftový proud se nemění, protože závisí na počtu menšinových nosičů objevujících se na hranicích přechodu), tzn. přechodem bude protékat výsledný proud určený především difúzní složkou. Difúzní proud závisí na výšce potenciální bariéry a exponenciálně roste, jak se snižuje.
Zvýšená difúze nosičů náboje přes přechod vede ke zvýšení koncentrace děr v oblasti n-typ a elektrony v oblasti p-typ. Toto zvýšení koncentrace minoritního nosiče v důsledku vlivu vnějšího napětí aplikovaného na přechod se nazývá injekce minoritního nosiče. Nerovnovážné menšinové nosiče difundují hluboko do polovodiče a narušují jeho elektrickou neutralitu. K obnovení neutrálního stavu polovodiče dochází v důsledku příchodu nosičů náboje z externího zdroje. To je důvod pro výskyt proudu ve vnějším obvodu, nazývaném přímý.
Při zapnutí p-n-přechod ve zpětném směru, vnější zpětné napětí vytváří elektrické pole shodující se ve směru s difúzním, což vede ke zvětšení potenciálové bariéry a zvětšení šířky blokovací vrstvy, obrázek 3. To vše snižuje difúzní proudy většinových nosičů. U nemainstreamových médií pole v p-n- přechod zůstává zrychlující, a proto se driftový proud nemění.
Výsledný proud bude tedy protékat přechodem, určený hlavně proudem unášecího proudu menšinové nosné. Vzhledem k tomu, že počet driftujících menšinových nosičů nezávisí na použitém napětí (ovlivňuje pouze jejich rychlost), pak jak se zpětné napětí zvyšuje, proud přes přechod má tendenci k limitní hodnotě já S, který se nazývá saturační proud. Čím vyšší je koncentrace donorových a akceptorových nečistot, tím nižší je saturační proud a s rostoucí teplotou roste saturační proud exponenciálně.
1.3. Proudově-napěťová charakteristika p-n přechodu
Závislost průchozího proudu p-n-přechod z napětí, které je na něj aplikováno já = F(U) se nazývá charakteristika proud-napětí p-n-přechod, obrázek 4.
Proudově napěťová charakteristika přechodu elektron-díra je popsána rovnicí Ebers-Moll:
, (1)
Kde já– proud přes přechod při napětí U;
já S– saturační proud vytvářený menšinovými nosiči náboje. já S také nazývaný tepelný proud, protože koncentrace menšinových nosičů závisí na teplotě;
q E– elektronový náboj;
k– Boltzmannova konstanta;
T– absolutní teplota;
– potenciál přechodové teploty, přibližně rovný při pokojové teplotě 0,025 V = 25 mV.
Li р-n- přechod je zapnut v propustném směru, napětí U vezměte se znaménkem plus, pokud je to naopak - se znaménkem mínus.
S přímým přiloženým napětím 
jeden lze ve srovnání s termínem zanedbat 
a charakteristika proud-napětí bude mít čistě exponenciální charakter.
Se zpětným (záporným) napětím 
období 
lze zanedbat ve srovnání s jednotou a proud se ukáže jako stejný 
.
Nicméně, Eq. Ebers-Moll se velmi přibližně shoduje se skutečnými charakteristikami proudového napětí, protože nebere v úvahu řadu fyzikálních procesů probíhajících v polovodičích. Takové procesy zahrnují: vytváření a rekombinaci nosičů v blokovací vrstvě, povrchové svodové proudy, pokles napětí na odporu neutrálních oblastí, jevy tepelného, lavinového a tunelového průrazu.
Pokud je proud protékající přechodem nevýznamný, pak lze úbytek napětí na odporu neutrálních oblastí zanedbat. S rostoucím proudem má však tento proces stále větší vliv na proudově-napěťovou charakteristiku zařízení, tzn. jeho skutečná charakteristika jde pod menším úhlem a degeneruje do přímky, když se napětí na bariérové vrstvě rovná rozdílu kontaktních potenciálů.
Při určitém zpětném napětí je pozorován prudký nárůst zpětného proudu. Tento jev se nazývá přechodové zhroucení. Existují tři typy poruch: tunelové, lavinové a termické. Tunelové a lavinové poruchy jsou typy elektrických poruch a jsou spojeny se zvýšením intenzity elektrického pole v křižovatce. Tepelný průraz je dán přehřátím křižovatky.
Tunelový efekt (Zenerův jev) spočívá v přímém přechodu valenčních elektronů z jednoho polovodiče na druhý (kde již budou volnými nosiči náboje), což je možné při vysoké intenzitě elektrického pole na přechodu. Tak vysoké intenzity elektrického pole na spoji lze dosáhnout při vysoké koncentraci nečistot v p- A n- oblasti, kde se tloušťka přechodu stává velmi malou.
V širokém p-n-přechody tvořené polovodiči se středními nebo nízkými koncentracemi nečistot, pravděpodobnost tunelového úniku elektronů klesá a lavinový průraz se stává pravděpodobnější.
Lavinový průraz nastává, když je střední volná dráha elektronu v polovodiči výrazně menší než tloušťka přechodu. Pokud elektrony během své volné dráhy akumulují kinetickou energii dostatečnou k ionizaci atomů v přechodu, pak dochází k impaktní ionizaci doprovázené lavinovým zmnožením nosičů náboje. Volné nosiče náboje vzniklé v důsledku nárazové ionizace zvyšují zpětný přechodový proud.
Tepelný rozpad je způsoben výrazným zvýšením počtu nosičů náboje v p-n-přechod z důvodu porušení tepelného režimu. Napájení přiváděné do křižovatky P arr = já arr. U odpad se spotřebuje na jeho vytápění. Teplo uvolněné v bariérové vrstvě je odváděno především díky tepelné vodivosti krystalové mřížky. Za špatných podmínek pro odvod tepla z přechodu, jakož i při zvýšení zpětného napětí na přechodu nad kritickou hodnotu, je možné jej zahřát na teplotu, při které dochází k tepelné ionizaci atomů. V tomto případě vytvořené nosiče náboje zvyšují zpětný proud přechodem, což vede k jeho dalšímu zahřívání. V důsledku takového rostoucího procesu se přechod nepřijatelně zahřívá a dochází k tepelnému rozpadu, charakterizovanému destrukcí krystalu.
Zvýšení počtu nosičů náboje při zahřívání přechodu vede ke snížení jeho odporu a napětí generovaného na něm. V důsledku toho se při tepelném průrazu objeví na zpětné větvi charakteristiky proud-napětí úsek se záporným rozdílovým odporem.
-toto je oblast, která odděluje elektronové a dírové vodivé povrchy v jediném krystalu.
Spojení elektron-díra je vytvořeno v jediném monokrystalu, ve kterém je získána poměrně ostrá hranice mezi oblastmi elektronové vodivosti a vodivosti díry.
Obrázek ukazuje dvě sousední oblasti polovodiče, z nichž jedna obsahuje donorovou nečistotu (oblast elektroniky, tedy n-vodivost), a druhá akceptorovou nečistotu (oblast vodivosti díry, tedy p-vodivost ). Chcete-li pochopit, jak se tento nebo ten typ polovodiče tvoří, doporučujeme přečíst si článek -Nečistotové polovodiče.
V nepřítomnosti aplikovaného napětí je pozorována difúze většiny nosičů náboje z jedné oblasti do druhé. Protože elektrony jsou hlavními nosiči náboje a v oblasti n je jejich koncentrace větší, difundují do oblasti p a záporně nabíjejí mezní vrstvu této oblasti. Elektrony však opouštějí své místo a vytvářejí prázdná místa - díry, čímž kladně nabíjejí mezní vrstvu n-oblasti. Po poměrně krátké době se tak na obou stranách rozhraní vytvoří prostorové náboje opačného znaménka.
Elektrické pole vytvořené vesmírnými náboji brání dalšímu šíření děr a elektronů. Existuje tzv potenciální bariéra, jehož výška je charakterizována rozdílem potenciálů v mezní vrstvě.
Přechod elektron-díra je ve svém vnějším provedení realizován ve formě polovodičové diody.
Pokud je na přechod elektron-díra přivedeno vnější napětí tak, že záporný pól zdroje je připojen k oblasti s elektronickou vodivostí a kladný pól je připojen k oblasti s vodivostí díry, pak směr napětí vnější zdroj bude mít opačné znaménko než elektrické pole p-n přechodu, což způsobí zvýšení proudu přes p-n přechod. vzniknestejnosměrný proud,který bude způsoben pohybem hlavních nosičů náboje, v našem případě se jedná o pohyb děr z oblasti p do oblasti n a pohyb elektronů z oblasti n do oblasti p. Měli byste vědět, že díry se pohybují opačně než pohyb elektronů, takže ve skutečnosti proud teče jedním směrem. Toto spojení se nazývářídit. Na proudově napěťové charakteristice bude takové zapojení odpovídat části grafu v prvním kvadrantu.
Pokud ale změníte polaritu napětí aplikovaného na p-n přechod na opačnou, pak se elektrony z mezní vrstvy začnou pohybovat z rozhraní ke kladnému pólu zdroje a díry k zápornému. V důsledku toho se volné elektrony a díry budou vzdalovat od mezní vrstvy, čímž se vytvoří vrstva, ve které prakticky nejsou žádné nosiče náboje. V důsledku toho proud v pn přechodu klesá desetitisíckrát, lze jej považovat za přibližně rovný nule. Vyvstává zpětný proud, který není tvořen hlavními nosiči náboje Toto spojení se nazývá zvrátit. Na proudově napěťové charakteristice bude takové zapojení odpovídat části grafu ve třetím kvadrantu.
Proudově-napěťová charakteristika
Při přímém připojení přechodu elektron-díra se proud zvyšuje s rostoucím napětím. Při obráceném zapojení dosáhne proud hodnoty I us, nazývané saturační proud.Pokud budete při opětovném zapnutí nadále zvyšovat napětí, může dojít k poruše diody. Tato vlastnost se využívá i u různých zenerových diod atd.
Vlastnosti pn přechodů jsou široce využívány v elektronice, a to v diodách, tranzistorech a dalších polovodičích.
p-n (pe-en) přechod je oblast prostoru na přechodu dvou polovodičů typu p a n, ve které dochází k přechodu z jednoho typu vodivosti na druhý, takový přechod se nazývá také přechod elektron-díra.
Existují dva typy polovodičů: typy p a n. U typu n jsou hlavními nosiči náboje elektrony a v typu p jsou hlavní kladně nabité díry. Kladná díra se objeví po odstranění elektronu z atomu a na jejím místě se vytvoří kladná díra.
Abyste pochopili, jak funguje p-n přechod, musíte si prostudovat jeho součásti, tedy polovodič typu p a n.
Polovodiče typu P a n jsou vyrobeny na bázi monokrystalického křemíku, který má velmi vysoký stupeň čistoty, takže sebemenší nečistoty (méně než 0,001 %) výrazně mění jeho elektrické vlastnosti.
V polovodiči typu n jsou hlavními nosiči náboje elektrony . K jejich získání používají dárcovské nečistoty, které se zavádějí do křemíku,- fosfor, antimon, arsen.
V polovodiči typu p jsou hlavní nosiče náboje kladně nabité díry . K jejich získání používají akceptorové nečistoty — hliník, bor
Polovodič typu n (elektronická vodivost)
Nečistotný atom fosforu obvykle nahrazuje hlavní atom v místech krystalové mřížky. V tomto případě se čtyři valenční elektrony atomu fosforu dostanou do kontaktu se čtyřmi valenčními elektrony sousedních čtyř atomů křemíku a vytvoří stabilní obal z osmi elektronů. Pátý valenční elektron atomu fosforu se ukáže být slabě vázán na svůj atom a vlivem vnějších sil (tepelné vibrace mřížky, vnější elektrické pole) se snadno uvolní a vytvoří zvýšená koncentrace volných elektronů . Krystal získává elektronovou nebo n-typovou vodivost . V tomto případě je atom fosforu bez elektronu pevně vázán na krystalovou mřížku křemíku s kladným nábojem a elektron je pohyblivý záporný náboj. Při absenci vnějších sil se vzájemně kompenzují, tedy v křemíku n-typuje určen počet volných vodivostních elektronů počet vnesených atomů donorových nečistot.
Polovodičový typ p (vodivost otvoru)
Atom hliníku, který má pouze tři valenční elektrony, nemůže nezávisle vytvořit stabilní osmielektronový obal se sousedními atomy křemíku, protože k tomu potřebuje další elektron, který si vezme z jednoho z atomů křemíku umístěných poblíž. Atom křemíku bez elektronů má kladný náboj, a protože může zachytit elektron ze sousedního atomu křemíku, lze jej považovat za mobilní kladný náboj nesouvisející s krystalovou mřížkou, nazývaný díra. Atom hliníku, který zachytil elektron, se stává záporně nabitým středem, pevně vázaným na krystalovou mřížku. Elektrická vodivost takového polovodiče je způsobena pohybem děr, proto se nazývá děrový polovodič typu p. Koncentrace otvorů odpovídá počtu zavedených atomů akceptorové nečistoty.
Elektrické přechody
Elektrický přechod v polovodiči se nazývá hraniční vrstva mezi dvěma oblastmi, jejichž fyzikální vlastnosti mají významné fyzikální rozdíly.
Rozlišují se následující typy elektrických přechodů:
§ elektronová díra nebo p–n křižovatka– přechod mezi dvěma oblastmi polovodiče s různými typy elektrické vodivosti;
§ přechody mezi dvěma oblastmi, pokud jedna z nich je kov a druhá polovodič p- nebo n- typ ( přechod kov-polovodič);
§ přechody mezi dvěma oblastmi se stejným typem elektrické vodivosti, lišící se koncentrací nečistot;
§ přechody mezi dvěma polovodičovými materiály s rozdílným zakázaným pásmem ( heteropřechody).
Činnost řady polovodičových součástek (diod, tranzistorů, tyristorů atd.) je založena na jevech, které vznikají při kontaktu mezi polovodiči s různými druhy vodivosti.
Hranice mezi dvěma oblastmi polovodičového monokrystalu, z nichž jedna má elektrickou vodivost tohoto typu p, a druhý je jako n tzv. přechod elektron-díra. Koncentrace hlavních nosičů náboje v regionech p A n mohou být stejné nebo výrazně odlišné. P–n-přechod, při kterém jsou koncentrace děr a elektronů téměř rovné N p N n, se nazývá symetrický. Pokud jsou koncentrace hlavních nosičů náboje různé (N p >> N n nebo N p<< N n) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют asymetrické.
Asymetrické p–n-přechody se používají více než symetrické, takže v budoucnu budeme uvažovat pouze je.
Uvažujme polovodičový monokrystal (obr. 1.12), do kterého je na jedné straně vnesena akceptorová nečistota, která způsobí vzhled
typ elektrické vodivosti p a na druhé straně byla zavedena donorová nečistota, díky které se tam objevila elektrická vodivost typu n. Každý mobilní nosič kladného náboje v regionu p(díra) odpovídá záporně nabitému iontu akceptorové nečistoty, ale nepohyblivému, umístěnému v uzlu krystalové mřížky a v oblasti n Každý volný elektron odpovídá kladně nabitému iontu donorové nečistoty, v důsledku čehož celý monokrystal zůstává elektricky neutrální.
Volní nositelé elektrických nábojů se vlivem koncentračního gradientu začnou přesouvat z míst s vysokou koncentrací do míst s nižší koncentrací. Otvory tak budou z oblasti difundovat p do regionu n a elektrony jsou naopak z regionu n do regionu p. Tento pohyb elektrických nábojů nasměrovaných k sobě tvoří difúzní proud p–n-přechod. Ale jakmile je díra mimo oblast p se přesune do oblasti n se ocitá obklopený elektrony, které jsou hlavními nositeli elektrického náboje v oblasti n. Je tedy velká pravděpodobnost, že elektron vyplní volnou hladinu a dojde k rekombinačnímu jevu, v jehož důsledku nebude ani díra, ani elektron, ale zůstane elektricky neutrální atom polovodiče. Ale pokud byl dříve kladný elektrický náboj každé díry kompenzován záporným nábojem iontu akceptorové nečistoty v oblasti p a elektronový náboj je kladný náboj iontu donorové nečistoty v oblasti n, pak po rekombinaci díry a elektronu zůstaly elektrické náboje iontů nepohyblivých nečistot, které vytvořily tuto díru a elektron, nekompenzovány. A především se nekompenzované náboje iontů nečistot projevují v blízkosti rozhraní (obr. 1.13), kde vzniká vrstva prostorových nábojů oddělená úzkou mezerou. Mezi těmito náboji vzniká elektrické pole s intenzitou E, které se nazývá potenciální bariérové pole, a rozdíl potenciálů na rozhraní mezi dvěma zónami, které toto pole určují, se nazývá rozdíl kontaktních potenciálů
Toto elektrické pole začíná působit na mobilní nosiče elektrických nábojů. Takže díry v okolí p– hlavní nositelé, kteří vstoupí do zóny působení tohoto pole, z něj zažijí inhibiční, odpudivý účinek a pohybem po siločarách tohoto pole budou zatlačeni hlouběji do oblasti p. Podobně elektrony z regionu n, spadající do rozsahu potenciálního bariérového pole, jím bude zatlačen hlouběji do oblasti n. V úzké oblasti, kde působí potenciálové bariérové pole, se tak vytvoří vrstva, kde prakticky nejsou žádné volné nosiče elektrického náboje a v důsledku toho má vysoký odpor. Jedná se o tzv. bariérovou vrstvu.
Pokud v oblasti p Pokud volný elektron, který je menšinovým nosičem pro tuto oblast, nějak skončí v blízkosti rozhraní, zažije zrychlující účinek elektrického pole potenciálové bariéry, v důsledku čehož bude tento elektron vržen přes rozhraní. do regionu n, kde bude hlavním dopravcem. Podobně, pokud v oblasti n Pokud se objeví menšinový nosič (díra), bude pod vlivem potenciálního bariérového pole vržen do regionu p, kde již bude hlavním dopravcem. Pohyb menšinových médií skrz p–n- přechod pod vlivem elektrického pole potenciálové bariéry určuje složku driftového proudu.
V nepřítomnosti vnějšího elektrického pole se ustaví dynamická rovnováha mezi toky většinových a menšinových nositelů elektrických nábojů. Tedy mezi difúzní a driftovou složkou proudu p–n-přechod, protože tyto složky směřují k sobě.
Potenciální diagram p–n- přechod je znázorněn na obr. 1.13 a potenciál na rozhraní mezi regiony je brán jako nulový potenciál. Rozdíl kontaktních potenciálů tvoří potenciální bariéru s výškou na rozhraní. Diagram ukazuje potenciální bariéru pro elektrony, které mají tendenci se pohybovat zprava doleva kvůli difúzi (z oblasti n do regionu p). Pokud posuneme kladný potenciál nahoru, můžeme získat obraz potenciální bariéry pro díry difundující zleva doprava (z oblasti p do regionu n).
V nepřítomnosti vnějšího elektrického pole a za podmínek dynamické rovnováhy se v obou vodivostních oblastech v polovodičovém krystalu vytvoří jediná Fermiho hladina.
Jelikož však v polovodičích p-Typ Fermiho hladina
se posouvá směrem k vrcholu valenčního pásma a v polovodičích n-typ -
Ke spodní části vodivostního pásu, poté na šířku p–n-přechod, energetický pásový diagram (obr. 1.14) se ohne a vytvoří se potenciální bariéra:
kde je energetická bariéra, kterou musí elektron v oblasti překonat n aby mohl jít do oblasti p, nebo obdobně pro díru v ploše p aby se mohla přesunout do oblasti n .
Výška potenciální bariéry závisí na koncentraci nečistot, protože když se mění, mění se Fermiho hladina a posouvá se ze středu zakázaného pásu k jeho horní nebo dolní hranici.
1.7.2. Vlastnost brány p–n přechodu
P–n-přechod má tu vlastnost, že mění svůj elektrický odpor v závislosti na směru proudu, který jím protéká. Tato vlastnost se nazývá ventil a nazývá se zařízení s touto vlastností elektrický ventil.
Uvažujme p–n- přechod, ke kterému je připojen externí zdroj napětí Uin s polaritou znázorněnou na Obr. 1.15, „+“ do oblasti p-typ, „–“ do oblasti n-typ. Toto spojení se nazývá přímé spojení p–n- přechod (resp přímé předpětí p–n přechodu). Pak síla elektrického pole vnějšího zdroje E Vn bude směřovat k intenzitě pole potenciální bariéry E a povede tedy ke snížení výsledného napětí E res:
E řez = E - E in , (1.14).
To následně povede ke snížení výšky potenciální bariéry a zvýšení počtu majoritních nosičů difundujících přes rozhraní do přilehlé oblasti, které tvoří tzv. dopředný proud p–n-přechod. V tomto případě se v důsledku snížení inhibičního, odpudivého účinku potenciálního bariérového pole na hlavní nosiče zmenšuje šířka blokovací vrstvy ( '< ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.
Když se vnější napětí zvyšuje, propouští se proud p–n- přechod se zvyšuje. Po překročení rozhraní se většinové nosiče stanou menšinovými nosiči v opačné oblasti polovodiče a po proniknutí hlouběji do ní se rekombinují s většinovými nosiči této oblasti. Ale dokud je připojen externí zdroj, je proud přes přechod udržován nepřetržitým tokem elektronů z vnějšího obvodu do n-region a jejich odchod z p-oblasti do vnějšího okruhu, kvůli kterým dochází ke koncentraci děr v p-regiony
Zavedení nosičů náboje prostřednictvím p–n-přechod, kdy výška potenciálové bariéry klesá do oblasti polovodiče, kde jsou tyto nosiče menšinové, se nazývá vstřikování nosiče náboje.
Když stejnosměrný proud teče z oblasti otvoru r do elektronické oblasti n otvory jsou vstřikovány a elektrony jsou vstřikovány z oblasti elektronů do oblasti děr.
Nazývá se injekční vrstva s relativně nízkým odporem emitor; vrstva, do které dochází k vstřikování menšinových nosičů náboje - báze.
Na Obr. Obrázek 1.16 ukazuje diagram energetického pásma odpovídající dopředné odchylce p–n-přechod.
Pokud k р-n- připojte externí zdroj s opačnou polaritou „–“ ke křižovatce p-typ, „+“ do oblasti n-typ (obr. 1.17), pak se takové spojení nazývá zpětné přepínání p–n přechodu(nebo reverzní předpětí p–n přechodu).
V tomto případě síla elektrického pole tohoto zdroje E vn bude směřovat stejným směrem jako síla elektrického pole E potenciální bariéra; výška potenciální bariéry se zvyšuje a difúzní proud většiny nosičů se prakticky rovná nule. V důsledku zvýšeného brzdného, odpudivého účinku celkového elektrického pole na hlavní nosiče náboje se šířka blokovací vrstvy zvětšuje (>) a prudce se zvyšuje její odpor.
Teď skrz р–n-přechod, poteče velmi malý proud, vlivem přenosu celkového elektrického pole na rozhraní hlavních nosičů vznikajícího vlivem různých ionizujících faktorů, převážně tepelného charakteru. Proces přenosu menšinových nosičů náboje se nazývá extrakce. Tento proud má driftovou povahu a je tzv zpětný proud p–n přechodu.
Na Obr. Obrázek 1.18 ukazuje diagram energetického pásma odpovídající zpětnému vychýlení p–n- přechod.
Závěry:
1. P–n- přechod se tvoří na hranici p- A n-oblasti vytvořené v polovodičovém monokrystalu.
2. V důsledku difúze do p–n-přechod, vzniká elektrické pole - potenciální bariéra, která brání vyrovnávání koncentrací hlavních nosičů náboje v sousedních oblastech.
3. Při nepřítomnosti vnějšího napětí U vn v p–n- přechod, dynamická rovnováha je ustavena: velikost difúzního proudu se rovná driftovému proudu tvořenému menšinovými nosiči náboje, což má za následek proud přes p–n-přechod se stane nulou.
4. S předpojatostí p–n-přechod, potenciálová bariéra klesá a přechodem protéká poměrně velký difúzní proud.
5. Při zpětném vychýlení p–n-přechod, potenciálová bariéra se zvyšuje, difúzní proud klesá na nulu a přechodem protéká malý driftový proud. To naznačuje p–n- přechod má jednosměrnou vodivost. Tato vlastnost je široce používána pro usměrnění střídavých proudů.
6. Šířka p–n-přechod závisí: na koncentracích nečistot v p- A n-oblastech, na znaménku a velikosti přiloženého vnějšího napětí U ext. Jak se zvyšuje koncentrace nečistot, šířka p–n-přechod klesá a naopak. S rostoucím propustným napětím šířky p–n- přechod se snižuje. Jak se zpětné napětí zvyšuje, šířka p–n- přechod se zvyšuje.
1.7.3. Voltampérová charakteristika p–n přechodu
Proudově-napěťová charakteristika p–n-přechod je závislost průchozího proudu p–n-přechod z velikosti napětí na něj aplikovaného. Vypočítává se na základě předpokladu, že mimo vrstvu vyčerpání není žádné elektrické pole, tzn. je přivedeno veškeré napětí p–n- přechod. Celkový průchozí proud p–n-přechod je určen součtem čtyř členů:
kde je elektronový driftový proud;
Driftový proud díry;
Elektronový difúzní proud;
Difúzní proud díry; koncentrace elektronů vstřikovaných do r- region;
Koncentrace otvorů vstřikovaných do n- region.
Ve stejné době, koncentrace menšinových nosičů n p0 A p n0 závisí na koncentraci nečistot Np A Nn následovně:
Kde n i, p i jsou vnitřní koncentrace nosičů náboje (bez příměsí) elektronů a děr.
Rychlost difúze nosiče υ n, p dif lze nechat unášet blízko jejich rychlosti υ n, p dr ve slabém elektrickém poli s malými odchylkami od rovnovážných podmínek. V tomto případě jsou pro podmínky rovnováhy splněny následující rovnosti:
υ p dif = υ p dr = υ p , υ n dif = υ n dr = vn.
Potom výraz (1.15) lze zapsat jako:
, (1.16).
Zpětný proud lze vyjádřit takto:
Kde Dn,p– koeficient difúze děr nebo elektronů;
Ln,p– difúzní délka děr nebo elektronů. Od parametrů Dn,p , p n0 , n p0 , Ln , p = závisí na teplotě, pak se častěji nazývá zpětný proud tepelný proud.
S stejnosměrným napětím z externího zdroje ( U vn > 0) exponenciální člen ve výrazu (1.16) rychle narůstá, což vede k rychlému nárůstu dopředného proudu, který je, jak již bylo uvedeno, určen především difúzní složkou.
Se zpětným napětím z externího zdroje
() exponenciální člen je mnohem menší než jednota a proud р–n-přechod se téměř rovná zpětnému proudu, určovaný hlavně složkou driftu. Podobu této závislosti ukazuje Obr. 1.19. První kvadrant odpovídá úseku dopředné větve charakteristiky proud-napětí a třetí kvadrant odpovídá zpětné větvi. Jak se zvyšuje propustné napětí, proud р–n-přechod v propustném směru zpočátku narůstá relativně pomalu a pak začíná úsek rychlého nárůstu propustného proudu, což vede k dodatečnému zahřívání polovodičové struktury. Pokud množství generovaného tepla v tomto případě překročí množství tepla odebraného z polovodičového krystalu buď přirozeně nebo pomocí
speciálních chladicích zařízení, pak může dojít k nevratným změnám ve struktuře polovodiče, až k destrukci krystalové mřížky. Proto stejnosměrný proud р–n-přechod musí být omezen na bezpečnou úroveň, která zabrání přehřátí polovodičové struktury. K tomu je nutné použít omezovací rezistor zapojený do série p–n-přechod.
Se zvyšujícím se zpětným napětím aplikovaným na р–n-přechod, zpětný proud se mírně mění, protože driftová složka proudu, která převládá při zpětném přepínání, závisí hlavně na teplotě krystalu a zvýšení zpětného napětí vede pouze ke zvýšení rychlosti driftu menšinových dopravců beze změny jejich počtu. Tato situace bude udržována až do hodnoty zpětného napětí, při které začíná intenzivní nárůst zpětného proudu - tzv porucha p–n křižovatky.
1.7.4. Typy poruch p–n přechodu
Jsou možné vratné a nevratné poruchy. Reverzibilní porucha je porucha, po které p–n- přechod zůstává funkční. Nevratný rozpad vede k destrukci polovodičové struktury.
Existují čtyři typy poruch: lavinové, tunelové, tepelné a povrchové. Lavinové a tunelové poruchy budou spojeny pod názvem - elektrický průraz, který je reverzibilní. Nevratné zahrnují tepelné a povrchové.
Lavinový rozpad charakteristické pro polovodiče, s významnou tloušťkou р–n-přechod tvořený lehce dotovanými polovodiči. V tomto případě je šířka ochuzovací vrstvy mnohem větší než difúzní délka nosičů. K průrazu dochází vlivem silného elektrického pole s intenzitou E(8…12) , .Při lavinovém průvalu hrají hlavní roli menšinové nosiče vzniklé vlivem tepla v р–n-přechod.
Tyto nosiče jsou testovány elektrickým polem р–n-přechod má zrychlující účinek a začíná se rychle pohybovat po siločarách tohoto pole. Menšinové nosiče náboje na střední volné dráze l (obr. 1.20) mohou při určité hodnotě intenzity zrychlit na takovou rychlost, že jejich kinetická energie může postačovat k jeho ionizaci při další srážce s atomem polovodiče, tzn. „vyrazte“ jeden z jeho valenčních elektronů a vrhněte ho do vodivého pásma, čímž vytvoříte pár elektron-díra. Vzniklé nosiče se také začnou v elektrickém poli zrychlovat, srážet se s dalšími neutrálními atomy a proces se tak lavinovitě zvětší. V tomto případě dochází k prudkému nárůstu zpětného proudu s prakticky konstantním zpětným napětím.
Parametr charakterizující lavinový průraz je lavinový multiplikační koeficient M, definovaný jako počet lavinových multiplikačních událostí v oblasti silného elektrického pole. Velikost zpětného proudu po znásobení laviny bude rovna:
kde je počáteční proud; U– přiložené napětí; U p – lavinové průrazné napětí; n– koeficient rovný 3 pro Ge, 5 pro Si.
Porucha tunelu se vyskytuje ve velmi tenkých р–n-přechody, což je možné při velmi vysokých koncentracích nečistot N 10 19 cm -3 při malé šířce přechodu (asi 0,01 μm) a při malých hodnotách zpětného napětí (několik voltů), kdy dochází k velkému gradientu elektrického pole. Vysoká intenzita elektrického pole, působící na atomy krystalové mřížky, zvyšuje energii valenčních elektronů a vede k jejich tunelovému „úniku“ přes „tenkou“ energetickou bariéru (obr. 1.21) z valenčního pásu. p-regiony ve vodivém pásmu n-regiony Navíc k „úniku“ dochází bez změny energie nosičů náboje. Průraz tunelu je také charakterizován prudkým nárůstem zpětného proudu s téměř konstantním zpětným napětím.
Pokud zpětný proud u obou typů elektrického průrazu nepřekročí maximální přípustnou hodnotu, při které je
zahřívání a destrukce krystalové struktury polovodiče, jsou reverzibilní a lze je mnohokrát reprodukovat.
Teplov tzv. rozpad р–n- přechod způsobený nárůstem počtu nosičů náboje s rostoucí teplotou krystalu. S nárůstem zpětného napětí a proudu se tepelný výkon uvolňuje v р–n-přechod a v souladu s tím teplota krystalové struktury. Vlivem tepla vibrace krystalových atomů zesilují a vazba valenčních elektronů s nimi slábne, zvyšuje se pravděpodobnost jejich přechodu do vodivostního pásma a vzniku dalších párů nosič elektron-díra. Pokud je el р–n-přechod překročí maximální přípustnou hodnotu, pak se proces tepelného generování zvyšuje jako lavina, dochází k nevratné restrukturalizaci struktury v krystalu a р-n- přechod je zničen.
Aby se zabránilo tepelnému průrazu, musí být splněny následující podmínky:
kde je maximální přípustný ztrátový výkon р-n-přechod.
Rozbití povrchu. Rozložení síly elektrického pole v р–n-přechod může výrazně změnit náboje přítomné na povrchu polovodiče. Povrchový náboj může vést ke zvětšení nebo zmenšení tloušťky přechodu, v důsledku čehož může dojít k průrazu na povrchu přechodu při intenzitě pole nižší, než je síla potřebná k tomu, aby způsobila poruchu velké části polovodiče. Tento jev se nazývá povrchový rozpad. Velkou roli při vzniku povrchového průrazu hrají dielektrické vlastnosti média hraničícího s povrchem polovodiče. Aby se snížila pravděpodobnost poškození povrchu, používají se speciální ochranné povlaky s vysokou dielektrickou konstantou.
1.7.5. Kapacita р–n-přechod
Změna vnějšího napětí o p–n-přechod vede ke změně šířky ochuzovací vrstvy a tím i elektrického náboje v ní akumulovaného (je to také způsobeno změnou koncentrace vstřikovaných nosičů náboje v blízkosti přechodu). Na základě toho p–n- přechod se chová jako kondenzátor, jehož kapacita je definována jako poměr změny akumulace p–n-přechod náboje na přiložené vnější napětí, které tuto změnu způsobilo.
Rozlišovat bariéra(nebo nabíječka) a difúze kapacita р-n-přechod.
Bariérová kapacita odpovídá reverznímu zapojení p–n-přechod, který je považován za obyčejný kondenzátor, kde desky jsou hranicemi ochuzovací vrstvy a ochlazovací vrstva samotná slouží jako nedokonalé dielektrikum se zvýšenými dielektrickými ztrátami:
kde je relativní dielektrická konstanta polovodičového materiálu; – elektrická konstanta (); S – oblast p–n-přechod; – šířka vyčerpané vrstvy.
Kapacita bariéry roste s rostoucí plochou p–n-přechodová a dielektrická konstanta polovodiče a zmenšení šířky ochuzovací vrstvy. V závislosti na oblasti přechodu může být C bar od několika do stovek pikofaradů.
Charakteristickým rysem bariérové kapacity je, že se jedná o nelineární kapacitu. S rostoucím zpětným napětím se zvětšuje šířka přechodu a tím i kapacita. Z baru klesá. Povaha závislosti C bar = f (U arr) ukazuje graf na Obr. 1.22. Zřejmě pod vlivem U vzorků kapacita Z baru mění několikrát.
Difúzní kapacita charakterizuje akumulaci mobilních nosičů náboje v n- A p-oblasti s propustným napětím na křižovatce. Prakticky existuje pouze při stejnosměrném napětí, kdy nosiče náboje difundují (injektují) ve velkém množství přes sníženou potenciálovou bariéru a aniž by měly čas na rekombinaci, akumulují se v n- A p-regiony. Každá hodnota stejnosměrného napětí odpovídá určitým hodnotám dvou opačných nábojů + Q diferenciál A -Q rozdíl, nahromaděné v n- A p-regiony v důsledku difúze nosičů přes přechod. Kapacita S diferenciálem představuje poměr nábojů k potenciálnímu rozdílu:
S nárůstem U pr dopředný proud roste rychleji než napětí, protože Proudově napěťová charakteristika pro propustný proud má proto nelineární formu Q dif roste rychleji než U pr A S diferenciálem zvyšuje.
Difúzní kapacita je mnohem větší než kapacita bariéry, ale nelze ji použít, protože ukazuje se, že je shuntovaný s nízkým dopředným odporem p–n-přechod. Numerické odhady difúzní kapacity ukazují, že její hodnota dosahuje několika jednotek mikrofarad.
Tedy, р–n- přechod lze použít jako proměnný kondenzátor,
řízena velikostí a znaménkem přiloženého napětí.
1.7.6. Kontakt kov-polovodič
V moderních polovodičových zařízeních se kromě kontaktů s p–n-přechod využívá kov-polovodičové kontakty.
Ke kontaktu kov-polovodič dochází v místě kontaktu polovodičového krystalu n- nebo r-typ vodivosti s kovy. Procesy probíhající v tomto případě jsou určeny poměrem pracovních funkcí elektronů z kovu a z polovodiče. Pod funkce práce elektronů pochopit energii potřebnou k přenosu elektronu z Fermiho hladiny na energetickou hladinu volného elektronu. Čím nižší je pracovní funkce, tím více elektronů může uniknout z daného tělesa.
V důsledku difúze elektronů a redistribuce náboje je narušena elektrická neutralita oblastí sousedících s rozhraním a vzniká kontaktní elektrické pole a rozdíl kontaktních potenciálů:
. (1.21)
Přechodová vrstva, ve které existuje kontaktní elektrické pole na kontaktu kov-polovodič, se nazývá Schottkyho přechod, pojmenované po německém vědci W. Schottkym, který jako první získal základní matematické vztahy pro elektrické charakteristiky takových přechodů.
Kontaktní elektrické pole na Schottkyho přechodu je soustředěno téměř v polovodiči, protože koncentrace nosičů náboje v kovu je mnohem větší než koncentrace nosičů náboje v polovodiči. K redistribuci elektronů v kovu dochází ve velmi tenké vrstvě srovnatelné s meziatomovou vzdáleností.
V závislosti na typu elektrické vodivosti polovodiče a poměru pracovních funkcí v krystalu se může objevit ochuzená, inverzní nebo obohacená vrstva o elektrické nosiče.
1. < , полупроводник n-typ (obr. 1.23, a). V tomto případě bude převládat výstup elektronů z kovu ( M) do polovodiče se tedy většinové nosiče (elektrony) hromadí v polovodičové vrstvě poblíž rozhraní a tato vrstva se obohacuje, tzn. se zvýšenou koncentrací elektronů. Odpor této vrstvy bude malý pro jakoukoli polaritu aplikovaného napětí, a proto takový přechod nemá usměrňovací vlastnosti. Říká se tomu jinak nerektifikační přechod.
2. < , полупроводник p-typ (obr. 1.23, b). V tomto případě bude převažovat únik elektronů z polovodiče do kovu, přičemž se v mezní vrstvě vytvoří i oblast obohacená o majoritní nosiče náboje (otvory) s nízkým odporem. Tento přechod také nemá opravnou vlastnost.
3., polovodič typu n (obr. 1.24, a). Za takových podmínek se budou elektrony pohybovat převážně z polovodiče do kovu a v mezní vrstvě polovodiče se vytvoří oblast, která je ochuzena o hlavní nosiče náboje a má vysoký odpor. Zde vzniká relativně vysoká potenciálová bariéra, jejíž výška bude výrazně záviset na polaritě přiváděného napětí. Pokud , pak je možná tvorba inverzní vrstvy ( p-typ). Tento kontakt má opravnou vlastnost.
4. , polovodič p-typ (obr. 1.24, b). Kontakt vytvořený za takových podmínek má usměrňovací vlastnost, jako předchozí.
Charakteristickým rysem kontaktu kov-polovodič je, že na rozdíl od konvenčního p–n-přechod zde výška potenciálové bariéry pro elektrony a díry je různá. V důsledku toho mohou být takové kontakty za určitých podmínek neinjekční, tzn. když kontaktem protéká stejnosměrný proud, menšinové nosiče nebudou vstřikovány do oblasti polovodičů, což je velmi důležité pro vysokofrekvenční a pulzní polovodičová zařízení.
Polovodičové diody
Spojení elektron-díra je tenká vrstva mezi dvěma částmi polovodičového krystalu, ve které jedna část má elektronovou vodivost a druhá má vodivost díry.
Technologický postup vytvoření přechodu elektron-díra může být různý: fúze (slitinové diody), difúze jedné látky do druhé (difúzní diody), epitaxe - orientovaný růst jednoho krystalu na povrchu druhého (epitaxiální diody) atd. Konstrukčně mohou být přechody elektron-díra symetrické a asymetrické, ostré a hladké, rovinné a bodové atd. U všech typů přechodů je však hlavní vlastností asymetrická elektrická vodivost, při které krystal propouští proud v jednom směru, ale neprojde to v druhém.
Struktura přechodu elektron-díra je znázorněna na Obr. 2.1a. Jedna část tohoto spojení je dopována donorovou nečistotou a má elektronickou vodivost (N-oblast). Druhá část, dopovaná akceptorovou nečistotou, má děrovou vodivost (P-oblast). Koncentrace elektronů v jedné části a koncentrace děr ve druhé se výrazně liší. V obou částech je navíc malá koncentrace menšinových nositelů.
Elektrony v N-oblasti mají tendenci pronikat do P-oblasti, kde je koncentrace elektronů mnohem nižší. Podobně se díry z oblasti P přesunou do oblasti N. V důsledku protipohybu opačných nábojů vzniká tzv. difúzní proud. Elektrony a díry, které prošly rozhraním, zanechávají opačné náboje, které brání dalšímu průchodu difúzního proudu. V důsledku toho se na hranici a při uzavření ustaví dynamická rovnováha N- a P-oblastech, v obvodu neprotéká žádný proud. Rozložení hustoty prostorového náboje v přechodu je znázorněno na Obr. 2.1 b.
V tomto případě se uvnitř krystalu na rozhraní objeví vlastní elektrické pole E intrinsic, jehož směr je znázorněn na Obr. 2.1. Síla tohoto pole je maximální na rozhraní, kde se náhle změní znaménko vesmírného náboje. V určité vzdálenosti od rozhraní není žádný prostorový náboj a polovodič je neutrální.
Výška potenciálové bariéry na p-n přechodu je určena rozdílem kontaktních potenciálů N- a P-oblasti. Rozdíl kontaktních potenciálů zase závisí na koncentraci nečistot v těchto oblastech:
Kde j T = kT/q - tepelný potenciál,
Nn A R r- koncentrace elektronů a děr v n - a p - oblastech,
n i, je koncentrace nosičů náboje v nedopovaném polovodiči.
Rozdíl kontaktních potenciálů pro germanium je 0,6...0,7 V a pro křemík - 0,9...1,2 V. Výšku potenciálové bariéry lze změnit přivedením externího napětí na p-p- přechod. Pokud vnější napětí vytvoří v pn přechodu pole, které se shoduje s vnitřním, pak výška potenciálové bariéry roste s obrácenou polaritou přiváděného napětí, výška potenciálové bariéry se zmenšuje.
Rýže. 2.1. Ostrý p-n přechod a rozložení prostorového náboje v něm
Pokud se přiložené napětí rovná rozdílu kontaktních potenciálů, potenciálová bariéra zcela zmizí
Proudově-napěťová charakteristika p-n přechodu představuje závislost proudu přechodem, když se na něm mění hodnota a polarita přiváděného napětí. Pokud aplikované napětí snižuje potenciálovou bariéru, pak se nazývá přímé, a pokud ji zvyšuje, nazývá se reverzní.
Aplikace propustného a zpětného napětí na pn přechod je znázorněna na Obr. 2.2.
Zpětný proud v pn přechodu je způsoben minoritními nosiči v jedné z oblastí, které se unášením v elektrickém poli oblasti prostorového náboje dostanou do oblasti, kde jsou již většinovými nosiči. Protože koncentrace majoritních nosičů výrazně převyšuje koncentraci minoritních nosičů, výskyt malého dodatečného množství většinových nosičů prakticky nezmění rovnovážný stav polovodiče. Zpětný proud tedy závisí pouze na počtu menšinových nosičů objevujících se na hranicích oblasti prostorového náboje. Externě aplikované napětí určuje rychlost, kterou se tyto nosiče pohybují z jedné oblasti do druhé, ale ne počet nosičů procházejících spojem za jednotku času. V důsledku toho je zpětný proud přes přechod vodivý proud a nezávisí na výšce potenciálové bariéry, tj. zůstává konstantní, když se zpětné napětí na přechodu mění.
Tento proud se nazývá saturační proud a označuje se
I arr = I S .
Když je pn přechod předpjatý, objeví se (difúzní) proud, způsobený difúzí většinových přenašečů překonávajících potenciální bariéru.
Po průchodu pn přechodem se tyto nosiče dostávají do oblasti polovodiče, pro kterou jsou menšinovými nosiči. V tomto případě se může koncentrace menšinových nosičů výrazně zvýšit ve srovnání s rovnovážnou koncentrací. Tento jev se nazývá vstřikování nosiče.
Když tedy stejnosměrný proud protéká přechodem z oblasti elektronů do oblasti díry, dojde k injektáži elektronů a k injektáži díry z oblasti díry. Difúzní proud závisí na výšce potenciální bariéry a roste exponenciálně, jak se snižuje:
Kde U- napětí na p-n přechodu.
Obr. 2 Aplikace zpětného (a) a propustného (b) napětí na p-n přechod
Kromě difúzního proudu obsahuje propustný proud vodivý proud tekoucí opačným směrem, takže celkový proud při dopředném předpětí p-n přechodu bude roven rozdílu mezi difúzním proudem (2.2) a vodivým proudem:
Rovnice (2.3) se nazývá Ebers-Mollova rovnice a odpovídající proudově-napěťová charakteristika p-n přechodu je znázorněna na Obr. 2.3. Protože při T = 300 K je tepelný potenciál j t = 25 mV, pak již při U = 0,1 V můžeme předpokládat, že
Rozdílový odpor p-n přechodu lze určit pomocí vzorce (2.3):
odkud to máme
Takže například při proudu I = 1A a j T = 25 mV je rozdílový odpor přechodu 25 mOhm.
Mezní hodnota napětí na p-n přechodu s propustným předpětím nepřekračuje rozdíl kontaktních potenciálů y Na. Zpětné napětí je omezeno průrazem pn přechodu. Rozpad pn křižovatky nastává v důsledku lavinového množení menšinových nosičů a nazývá se lavinový rozpad. Při lavinovém průrazu p-n přechodu je proud přechodem omezen pouze odporem zdroje pn křižovatka elektrický obvod (obr. 2.3).
Polovodič p-n-přechod, má kapacitu, která je obecně definována jako poměr přírůstku náboje na přechodu k přírůstku poklesu napětí na něm, tzn.
C=dq/du.
Rýže. 2.3. Voltampérová charakteristika p-n přechodu
Kapacita přechodu závisí na hodnotě a polaritě vnějšího použitého napětí. Při zpětném napětí na přechodu se tato kapacita nazývá bariérová kapacita a je určena vzorcem
kde y K je rozdíl kontaktních potenciálů,
U- zpětné napětí na křižovatce,
C 6ar (0) - hodnota kapacity bariéry při U=0, což závisí na ploše pn přechodu a vlastnostech polovodičového krystalu.
Závislost kapacity bariéry na přiloženém napětí je na Obr. 2.4. Bariérová kapacita teoreticky existuje také při stejnosměrném napětí na přechodu p-n, ale je posunuta nízkým diferenciálním odporem r diferenciálu.
Rýže. 2.4 Závislost kapacity bariéry na napětí na p-n přechodu
Když je p-n přechod v dopředném směru, má mnohem větší vliv difúzní kapacita, která závisí na hodnotě propustného proudu I a životnosti menšinových nosičů t r. Tato kapacita nesouvisí s předpětím, ale poskytuje stejný fázový posun mezi napětím a proudem jako normální kapacita. Hodnotu difúzní kapacity lze určit vzorcem
Celková kapacita přechodu pod dopředným předpětím je určena součtem bariérové a difúzní kapacity
Když je přechod obrácený, neexistuje žádná difúzní kapacita a celková kapacita se skládá pouze z kapacity bariéry.
Polovodičová dioda nazývá se zařízení, které má dva terminály a obsahuje jeden (nebo několik) p-n přechodů. Všechny polovodičové diody lze rozdělit do dvou skupin: usměrňovací a speciální. Usměrňovací diody, jak název napovídá, jsou určeny k usměrnění střídavého proudu. Podle frekvence a tvaru střídavého napětí se dělí na vysokofrekvenční, nízkofrekvenční a pulzní. Speciální typy polovodičových diod využívají různé vlastnosti pn přechodů; jev průrazu, kapacita bariéry, přítomnost oblastí s negativním odporem atd.
Strukturálně usměrňovací diody Dělí se na rovinné a bodové a podle technologie výroby na slitinové, difúzní a epitaxní. Vzhledem k velké ploše přechodu ^-l se k usměrnění velkých proudů používají planární diody. Bodové diody mají malou přechodovou oblast, a proto jsou navrženy tak, aby usměrňovaly malé proudy. Pro zvýšení lavinového průrazného napětí se používají usměrňovací sloupy, sestávající z řady diod zapojených do série.
Vysoce výkonné usměrňovací diody se nazývají výkonové diody. Materiálem pro takové diody je obvykle křemík nebo arsenid galia. Germanium se prakticky nepoužívá kvůli silné teplotní závislosti zpětného proudu. Diody ze slitiny křemíku se používají k usměrnění střídavého proudu do 5 kHz. Křemíkové difúzní diody mohou pracovat na vyšších frekvencích, až do 100 kHz. Křemíkové epitaxní diody s kovovým substrátem (se Schottkyho bariérou) lze použít při frekvencích až 500 kHz. Gallium arsenidové diody jsou schopny pracovat ve frekvenčním rozsahu až několik MHz.
Při velkém proudu pn přechodem výrazně klesá napětí v objemu polovodiče a nelze to zanedbat. Vezmeme-li v úvahu výraz (2.4), charakteristika proudového napětí usměrňovací diody má tvar
Kde R- objemový odpor polovodičového krystalu, který se nazývá sériový odpor.
Konvenční grafické označení polovodičové diody je na Obr. 2.5 a, a jeho struktura na Obr. 2.5 b. U diodová elektroda připojená k ploše R, se nazývá anoda (podobně jako elektrická vakuová dioda) a elektroda je připojena k ploše N,- katoda. Statická proudově-napěťová charakteristika diody je na Obr. 2.5 PROTI.
Rýže. 2.5. Symbol polovodičové diody (a), její struktura (b) a proudově napěťová charakteristika (c)
Výkonové diody se obvykle vyznačují souborem statických a dynamických parametrů. Mezi statické parametry diody patří:
Pokles napětí U np na diodě při určité hodnotě propustného proudu;
Zpětný proud I о6р při určité hodnotě zpětného napětí;
Průměrná hodnota propustného proudu I pr av;
Pulzní zpětné napětí U o6ri.
Dynamické parametry diody zahrnují její časovou nebo frekvenční charakteristiku. Mezi tyto parametry patří:
Reverzní napětí doby zotavení;
Doba náběhu dopředného proudu I Nar;
Mezní frekvence bez redukčních diodových režimů fmax.
Statické parametry lze nastavit pomocí proudově-napěťové charakteristiky diody, která je znázorněna na Obr. 2.5 PROTI. Typické hodnoty statických parametrů výkonových diod jsou uvedeny v tabulce. 2.1.
Tabulka 2.1 Statické parametry výkonových usměrňovacích diod
Reverzní doba zotavení dioda t rev je hlavním parametrem usměrňovacích diod, charakterizujícím jejich setrvačné vlastnosti. Určuje se, kdy dioda přepne z daného propustného proudu I pr na dané zpětné napětí U o6p. Grafy takového přepínání jsou na Obr. 26 b. Zkušební diagram znázorněný na Obr. 26 b, je půlvlnný usměrňovač pracující na odporové zátěži R H a napájen ze zdroje napětí obdélníkového tvaru.
Napětí na vstupu obvodu v čase ?=0 vyskočí na kladnou hodnotu Hm. V důsledku setrvačnosti difúzního procesu se proud v diodě neobjeví okamžitě, ale časem se zvyšuje tm. Spolu s nárůstem proudu v diodě klesá napětí na diodě, které se po 4a P rovná £/čas. V okamžiku t t v obvodu je zaveden stacionární režim, ve kterém proudí dioda i=Is~Um/RB.
Tento stav přetrvává až do okamžiku t2, při přepólování napájecího napětí. Náboje nashromážděné na hranici ^-i-přechodu však udrží diodu po určitou dobu v otevřeném stavu, ale směr proudu v diodě se změní na opačný. V podstatě k resorpci nábojů dochází na hranici 5" (přenos rchm (t.j. vybití ekvivalentní kapacity). Po časovém intervalu resorpce /,„
začíná proces zhasnutí diody, tedy proces obnovy jejích uzamykacích vlastností,
Podle času< 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени A, poté se dioda zablokuje. Do této doby se proud v diodě vyrovná 1^, a napětí dosáhne hodnoty - Hm. Takže čas t^ lze počítat od přechodu Ua přes nulu, dokud proud diody nedosáhne hodnoty 1^.
Zvážení procesů zapínání a vypínání usměrňovací diody ukazuje, že to není ideální ventil a za určitých podmínek vede opačným směrem. Dobu resorpce minoritních nosičů v /?-i-junction lze určit vzorcem
Kde x str- životnost menšinových nosičů.
Dobu obnovy zpětného napětí na diodě lze odhadnout pomocí přibližného vyjádření
Nutno podotknout, že kdy Ra = 0(což odpovídá činnosti diody na kapacitní zátěži), může být zpětný proud diodou v okamžiku jejího vypnutí mnohonásobně vyšší než proud zátěže ve stacionárním režimu.
Ze zkoumání grafů na Obr. 2.6 a vyplývá, že ztrátový výkon v diodě prudce narůstá při jejím rozsvícení a zejména při zhasnutí. V důsledku toho se ztráty v diodě zvyšují s rostoucí frekvencí usměrněného napětí. Když dioda pracuje při nízké frekvenci a harmonické formě napájecího napětí, nedochází k velkým amplitudovým proudovým impulsům a ztráty v diodě jsou výrazně sníženy.
Při změně teploty těla diody se mění její parametry. Tato závislost musí být zohledněna při vývoji zařízení. Propustné napětí na diodě a její zpětný proud nejvíce závisí na teplotě. Teplotní koeficient napětí (TCV) na diodě má zápornou hodnotu, protože s rostoucí teplotou napětí na diodě klesá. Lze přibližně předpokládat, že TKN U up =-2mB/K.
Zpětný proud diody závisí ještě silněji na teplotě pouzdra a má kladný koeficient. Takže se zvýšením teploty o každých 10 °C vzroste zpětný proud germaniových diod 2krát a křemíkových diod 2,5krát.
Ztráty v usměrňovacích diodách lze vypočítat pomocí vzorce
kde P 11р - ztráty v diodě v propustném směru proudu, R^- ztráty v diodě se zpětným proudem, R, k- ztráty v diodě ve fázi zpětného zotavení.
Rýže. 2 6 Grafy procesů odemykání a zamykání diody (a) a testovacího obvodu (b)
Přibližnou hodnotu forwardové ztráty lze vypočítat pomocí vzorce
kde /„pep a (/„pq, jsou průměrné hodnoty propustného proudu a propustného napětí na diodě. Podobně můžete vypočítat ztrátový výkon se zpětným proudem:
A konečně, ztráty ve fázi zpětného získávání jsou určeny vzorcem
kde /" je frekvence střídavého napětí.
Po výpočtu výkonových ztrát v diodě by měla být pomocí vzorce určena teplota těla diody
kde G pmax = 150 °C je maximální přípustná teplota krystalu diody, RnK- tepelný odpor tělesa přechod-dioda (udán v referenčních údajích pro diodu), G až max - maximální přípustná teplota tělesa diody.
Schottkyho bariérové diody K usměrnění nízkofrekvenčních napětí se široce používají Schottkyho bariérové diody (SBD). Tyto diody používají místo p-přechodu kontakt kov-polovodič. V místě kontaktu se objevují polovodičové vrstvy ochuzené o nosiče náboje, které se nazývají hradlové vrstvy. Diody se Schottkyho bariérou se liší od diod s p-n přechodem v následujících parametrech:
Nižší pokles napětí v propustném směru;
Mají nižší zpětné napětí;
Vyšší svodový proud;
Neexistuje téměř žádný poplatek za zpětné vymáhání.
Dvě hlavní charakteristiky činí tyto diody nepostradatelnými při návrhu nízkonapěťových, vysokofrekvenčních usměrňovačů: nízký úbytek napětí v propustném směru a nízká doba obnovení zpětného napětí. Kromě toho nepřítomnost menšinových přenašečů vyžadujících dobu zpětného zotavení znamená, že fyzicky nedochází k žádné spínací ztrátě na samotné diodě.
U Schottkyho bariérových diod je pokles napětí v propustném směru funkcí zpětného napětí. Maximální napětí moderních Schottkyho diod je asi 150V. Při tomto napětí je propustné napětí DS o 0,2...0,3V menší než propustné napětí diod s p-přechodem.
Výhody Schottkyho diody se projeví zejména při usměrňování nízkých napětí. Například 45voltová Schottkyho dioda má propustné napětí 0,4...0,6V a při stejném proudu má dioda s //-přechodem úbytek napětí 0,5...1,0V. Když se zpětné napětí sníží na 15V, propustné napětí se sníží na 0,3...0,4V. V průměru může použití Schottkyho diod v usměrňovači snížit ztráty přibližně o 10...15%. Maximální pracovní frekvence DS přesahuje 200 kHz při proudu až 30 A.
Související informace.
