При використанні p-n-переходу в реальних напівпровідникових приладах до нього може бути додана зовнішня напруга. Величина і полярність цієї напруги визначають поведінку переходу і електричний струм, що проходить через нього. Якщо позитивний полюс джерела живлення підключається до p-області, а негативний - до n-області, то включення p-n-Переходу називають прямим. У разі зміни зазначеної полярності включення p-n-Переходу називають зворотним.
При прямому включенні p-n-переходу зовнішню напругу створює в переході поле, яке протилежне за напрямом внутрішнього дифузійного поля, малюнок 2. Напруженість результуючого поля падає, що супроводжується звуженням замикаючого шару. В результаті цього велика кількість основних носіїв зарядів отримує можливість дифузійно переходити в сусідню область (струм дрейфу при цьому не змінюється, оскільки він залежить від кількості неосновних носіїв, що з'являються на межі переходу), тобто на 100%. через перехід протікатиме результуючий струм, що визначається в основному дифузійної складової. Дифузійний струм залежить від висоти потенційного бар'єру і з його зниження збільшується експоненційно.
Підвищена дифузія носіїв зарядів через перехід призводить до підвищення концентрації дірок в області n-типу та електронів в області p-Типу. Таке підвищення концентрації неосновних носіїв унаслідок впливу зовнішньої напруги, що додається до переходу, називається інжекцією неосновних носіїв. Нерівноважні неосновні носії дифундують углиб напівпровідника та порушують його електронейтральність. Відновлення нейтрального стану напівпровідника відбувається з допомогою надходження носіїв зарядів від зовнішнього джерела. Це є причиною виникнення струму у зовнішньому ланцюзі, що називається прямим.
При включенні p-n-переходу у зворотному напрямку зовнішня зворотна напруга створює електричне поле, що збігається у напрямку з дифузійним, що призводить до зростання потенційного бар'єру та збільшення ширини замикаючого шару, рисунок 3. Все це зменшує дифузійні струми основних носіїв. Для неосновних носіїв поле в p-n-перехід залишається прискорюючим, і тому дрейфовий струм змінюється.
Таким чином, через перехід протікатиме результуючий струм, який визначається в основному струмом дрейфу неосновних носіїв. Оскільки кількість дрейфуючих неосновних носіїв не залежить від прикладеної напруги (воно впливає тільки на їхню швидкість), то при збільшенні зворотної напруги струм через перехід прагне граничного значення I S, Яке називається струмом насичення. Чим більша концентрація домішок донорів та акцепторів, тим менший струм насичення, а зі збільшенням температури струм насичення зростає за експоненційним законом.
1.3. Вольт-амперна характеристика p-n-переходу
Залежність струму через p-n-перехід від прикладеної до нього напруги I = f(U) називають вольтамперною характеристикою p-n-Переходу, малюнок 4.
Вольтамперна характеристика електронно-діркового переходу описується рівнянням Еберса-Молла:
, (1)
де I- Струм через перехід при напрузі U;
I S- Струм насичення, створюваний неосновними носіями заряду. I Sназивається також тепловим струмом, оскільки концентрація неосновних носіїв залежить від температури;
q e- Заряд електрона;
k- Постійна Больцмана;
Т- Абсолютна температура;
– температурний потенціал переходу, приблизно рівний за кімнатної температури 0,025 В = 25 мВ.
Якщо р-n-перехід включений у прямому напрямку, напруга U беруть зі знаком плюс, якщо у зворотному – зі знаком мінус.
При прямій прикладеній напрузі 
можна знехтувати одиницею в порівнянні з доданком 
, і ВАХ матиме суто експоненційний характер.
При зворотній (негативній) напрузі 
доданком 
можна знехтувати в порівнянні з одиницею, і струм виявляється рівним 
.
Проте рівняння Еберса-Молладуже приблизно збігається з реальними вольтамперними характеристиками, тому що не враховує цілого ряду фізичних процесів, що відбуваються у напівпровідниках. До таких процесів відносяться: генерація та рекомбінація носіїв у замикаючому шарі, поверхневі струми витоку, падіння напруги на опорі нейтральних областей, явища теплового, лавинного та тунельного пробоїв.
Якщо струм, що протікає через перехід, незначний, то падінням напруги на опорі нейтральних областей можна знехтувати. Проте зі збільшенням струму цей процес надає дедалі більшого впливу ВАХ приладу, тобто. його реальна характеристика йде під меншим кутом і вироджується в пряму лінію, коли напруга на шарі, що замикає, стає рівним контактної різниці потенціалів.
При деякому зворотному напрузі спостерігається різке зростання зворотного струму. Це називають пробоєм переходу. Існує три види пробоїв: тунельний, лавинний та тепловий. Тунельний і лавинний пробої є різновидами електричного пробою і пов'язані зі збільшенням напруженості електричного поля в переході. Тепловий пробою визначається перегріванням переходу.
Тунельний ефект (ефект Зенера) полягає в прямому переході валентних електронів з одного напівпровідника до іншого (де вони вже будуть вільними носіями заряду), що стає можливим за високої напруженості електричного поля на переході. Така велика напруженість електричного поля на переході може бути досягнута при високій концентрації домішок p- І n-областях, коли товщина переходу стає дуже маленькою.
У широких p-n-переходах, утворених напівпровідниками із середньої чи мінімальної концентраціями домішок, можливість тунельного просочування електронів зменшується і найімовірнішим стає лавинний пробою.
Лавинний пробій виникає, коли довжина вільного пробігу електрона в напівпровіднику значно менша за товщину переходу. Якщо за час вільного пробігу електрони накопичують кінетичну енергію, достатню для іонізації атомів у переході, настає ударна іонізація, що супроводжується лавинним розмноженням носіїв зарядів. Вільні носії зарядів, що утворилися в результаті ударної іонізації, збільшують зворотний струм переходу.
Тепловий пробою обумовлений значним зростанням кількості носіїв зарядів у p-n-перехід за рахунок порушення теплового режиму Підведена до переходу потужність Pобр = Iобр Uобр витрачається з його нагрівання. Теплота, що виділяється в замикаючому шарі, відводиться переважно за рахунок теплопровідності кристалічної решітки. За поганих умов відведення теплоти від переходу, а також при підвищенні зворотної напруги на переході вище критичного значення, можливе його розігрів до температури, при якій відбувається теплова іонізація атомів. При цьому носії зарядів збільшують зворотний струм через перехід, що призводить до його подальшого розігріву. В результаті такого наростаючого процесу перехід неприпустимо розігрівається і виникає тепловий пробій, що характеризується руйнуванням кристала.
Збільшення числа носіїв зарядів при нагріванні переходу призводить до зменшення його опору і напруги, що виділяється на ньому. Внаслідок цього на зворотній гілці ВАХ при тепловому пробою з'являється ділянка з негативним диференціальним опором.
-це область, яка поділяє поверхні електронної та діркової провідності в монокристалі.
Електронно-дірковий перехід виготовляють в єдиному монокристалі, в якому отримано досить різку межу між областями електронної та діркової провідностей.
На малюнку зображені дві межі області напівпровідника, одна з яких містить донорну домішку (область електронної, тобто n-провідності), а інша акцепторну домішка (область дірочної провідності, тобто p-провідності). Щоб зрозуміти, як формується той чи інший тип напівпровідника, рекомендуємо прочитати статтю -Домішні напівпровідники.
За відсутності прикладеної напруги спостерігається дифузія основних носіїв зарядів із однієї області до іншої. Так як електрони це основні носії заряду, і в області n їх концентрація більше вони дифундують p-область заряджаючи негативно прикордонний шар цієї області. Але йдучи зі свого місця електрони створюють вакантні місця - дірки, заряджаючи тим самим прикордонний шар n-області позитивно. Таким чином, через досить короткий проміжок часу по обидва боки поверхні розділу утворюються протилежні за знаком просторові заряди.
Електричне поле, створюване просторовими зарядами, перешкоджає подальшій дифузії дірок та електронів. Виникає так званий потенційний бар'єр, Висота якого характеризується різницею потенціалів у прикордонному шарі.
Електронно-дірковий перехід, у зовнішньому виконанні реалізується у вигляді напівпровідникового діода.
Якщо до електронно-діркового переходу прикласти зовнішню напругу так, що до області з електронною провідністю підключений негативний полюс джерела, а до області з дірковою провідністю – позитивний, то напрям напруги зовнішнього джерела буде протилежним за знаком електричного поля p-n переходу, це викличе збільшення струму через p-n перехід. Виникнепрямий струм,який буде викликаний рух основних носіїв зарядів, в нашому випадку це рух дірок з області p в області n, і рух електронів з області n в p. Слід знати, що дірки рухаються протилежно руху електронів, тому насправді струм тече в один бік. Таке підключення називаютьпрямим. На вольт-амперній характеристиці такому підключенню відповідатиме частина графіка у першому квандранті.
Але якщо змінити полярність прикладеного до p-n переходу напруги на протилежне, то електрони з прикордонного шару почнуть рух від межі розділу до позитивного полюса джерела, а дірки до негативного. Отже, вільні електрони та дірки будуть віддалятися від прикордонного шару, створюючи тим самим прошарок, у якому практично відсутні носії зарядів. В результаті струм у p-n переході знижується в десятки тисяч разів, його можна вважати приблизно рівним нулю. Виникає зворотний струм, який утворений не основними носіями заряду. зворотним. На вольт-амперній характеристиці такому підключенню відповідатиме частина графіка у третьому квандранті.
Вольт-амперна характеристика
При прямому підключенні електронно-діркового переходу струм зростає зі збільшенням напруги. При зворотному підключенні струм сягає значення I нас, зване струмом насичення.Якщо продовжувати збільшувати напругу при зворотному включенні, може настати пробою діода. Ця властивість також використовується у різних стабілітронах і т.д.
Властивості p-n переходу широко застосовуються в електроніці, а саме у діодах, транзисторах та інших напівпровідниках.
p-n (пе-ен) перехід - область простору на стику двох напівпровідників p-і n-типу, в якій відбувається перехід від одного типу провідності до іншого, такий перехід ще називають електронно-дірочним переходом.
Усього є два типи напівпровідників це p і n типу. У n - типі основними носіями заряду є електрони , а в p - типі основними - позитивно заряджені дірки. Позитивна дірка виникає після відриву електрона від атома і на місці утворюється позитивна дірка.
Щоб розібратися як працює p-n перехід треба вивчити його складові тобто напівпровідник p - типу і n - типу.
Напівпровідники p і n типу виготовляються на основі монокристалічного кремнію, що має дуже високий рівень чистоти, тому найменші домішки (менше 0,001%) істотно змінюють його електрофізичні властивості.
У напівпровіднику n типу основними носіями заряду є електрони . Для отримання їх використовують донорні домішки, які вводяться в кремній,- Фосфор, сурма, миш'як.
У напівпровіднику p типу основними носіями заряду є позитивно заряджені дірки . Для отримання їх використовують акцепторні домішки — алюміній, бор.
Напівпровідник n - типу (електронної провідності)
Домішковий атом фосфору зазвичай заміщає основний атом у вузлах кристалічних ґрат. При цьому чотири валентні електрони атома фосфору вступають у зв'язок з чотирма валентними електронами сусідніх чотирьох атомів кремнію, утворюючи стійку оболонку з восьми електронів. П'ятий валентний електрон атома фосфору виявляється слабо пов'язаним зі своїм атомом і під дією зовнішніх сил (теплові коливання решітки, зовнішнє електричне поле) легко стає вільним, створюючи підвищену концентрацію вільних електронів . Кристал набуває електронної провідності або провідності n-типу . При цьому атом фосфору, позбавлений електрона, жорстко пов'язаний з кристалічними гратами кремнію позитивним зарядом, а електрон є рухомим негативним зарядом. За відсутності дії зовнішніх сил вони компенсують один одного, тобто у кремнії n-типукількість вільних електронів провідності визначаєтьсякількістю введених донорних атомів домішки.
Напівпровідник p — типу (діркової провідності)
Атом алюмінію, що має тільки три валентні електрони, не може самостійно створити стійку восьмиелектронну оболонку з сусідніми атомами кремнію, так як для цього йому необхідний ще один електрон, який він відбирає в одного з атомів кремнію, що знаходиться поблизу. Атом кремнію, позбавлений електрона, має позитивний заряд і, оскільки він може захопити електрон сусіднього атома кремнію, його можна вважати рухомим позитивним зарядом, не пов'язаним з кристалічною решіткою, яка називається діркою. Атом алюмінію, що захопив електрон, стає негативно зарядженим центром, жорстко пов'язаним із кристалічною решіткою. Електропровідність такого напівпровідника обумовлена рухом дірок, тому він називається дірковим напівпровідником р-типу. Концентрація дірок відповідає кількості введених атомів акцепторної домішки.
Електричні переходи
Електричним переходому напівпровіднику називається граничний шар між двома областями, фізичні характеристики яких мають суттєві фізичні відмінності.
Розрізняють такі види електричних переходів:
§ електронно-дірковий, або p-n-перехід- Перехід між двома областями напівпровідника, що мають різний тип електропровідності;
§ переходи між двома областями, якщо одна з них є металом, а інша напівпровідником p-або n-типу ( перехід метал – напівпровідник);
§ переходи між двома областями з одним типом електропровідності, що відрізняються значенням концентрації домішок;
§ переходи між двома напівпровідниковими матеріалами з різною шириною забороненої зони ( гетеропереходи).
Робота цілого ряду напівпровідникових приладів (діодів, транзисторів, тиристорів та ін) заснована на явищах, що виникають у контакті між напівпровідниками з різними типами провідності.
Кордон між двома областями монокристала напівпровідника, одна з яких має електропровідність типу p, а інша – типу nназивається електронно-дірковим переходом. Концентрації основних носіїв заряду в областях pі nможуть бути рівними або суттєво відрізнятися. P-n-перехід, у якого концентрації дірок і електронів практично рівні N p N n називають симетричним. Якщо концентрації основних носіїв заряду різні (N p >> N n або N p<< N n) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют несиметричними.
Несиметричні p–n-переходи використовуються ширше, ніж симетричні, тому надалі розглядатимемо лише їх.
Розглянемо монокристал напівпровідника (рис. 1.12), в якому, з одного боку, введено акцепторну домішку, що зумовила виникнення тут
електропровідності типу p, а з іншого боку, введено донорну домішку, завдяки якій там виникла електропровідність типу n. Кожному рухливому позитивному носію заряду в області p(дірці) відповідає негативно заряджений іон акцепторної домішки, але нерухомий, що знаходиться у вузлі кристалічної решітки, а в області nкожному вільному електрону відповідає позитивно заряджений іон донорної домішки, у результаті весь монокристал залишається електрично нейтральним.
Вільні носії електричних зарядів під дією градієнта концентрації починають переміщатися з місць з великою концентрацією місця з меншою концентрацією. Так, дірки будуть дифундувати з області pв область n, А електрони, навпаки, з області nв область p. Це спрямоване назустріч один одному переміщення електричних зарядів утворює дифузійний струм. p–n-переходу. Але як тільки дірка з області pперейде в область n, вона опиняється в оточенні електронів, які є основними носіями електричних зарядів в області n. Тому велика ймовірність того, що будь-який електрон заповнить вільний рівень і станеться явище рекомбінації, в результаті якої не буде ні дірки, ні електрона, а електрично нейтральний атом напівпровідника залишиться. Але якщо раніше позитивний електричний заряд кожної дірки компенсувався негативним зарядом іона акцепторної домішки в області p, А заряд електрона - позитивним зарядом іона донорної домішки в області nПісля рекомбінації дірки та електрона електричні заряди нерухомих іонів домішок, що породили цю дірку та електрон, залишилися не скомпенсованими. І насамперед не скомпенсовані заряди іонів домішок виявляють себе поблизу межі розділу (рис. 1.13), де утворюється шар просторових зарядів, розділених вузьким проміжком. Між цими зарядами виникає електричне поле з напруженістю E, Яке називають полем потенційного бар'єру, а різниця потенціалів на межі розділу двох зон, що зумовлюють це поле, називають контактною різницею потенціалів
Це електричне поле починає діяти рухомі носії електричних зарядів. Так, дірки в області p- основні носії, потрапляючи в зону дії цього поля, випробовують з боку нього гальмуючу, відштовхуючу дію і, переміщаючись уздовж силових ліній цього поля, будуть виштовхнуті вглиб області p. Аналогічно, електрони з області n, потрапляючи в зону дії поля потенційного бар'єру, будуть виштовхнуті ним углиб області n. Таким чином, у вузькій ділянці , де діє поле потенційного бар'єру, утворюється шар, де практично відсутні вільні носії електричних зарядів і внаслідок цього володіє високим опором. Це так званий замикаючий шар.
Якщо ж в області pпоблизу кордону розділу будь-яким чином виявиться вільний електрон, який є неосновним носієм для цієї області, то він з боку електричного поля потенційного бар'єру зазнає прискорювальної дії, внаслідок чого цей електрон буде перекинутий через кордон розділу в область nде він буде основним носієм. Аналогічно, якщо в області nз'явиться неосновний носій - дірка, то під дією поля потенційного бар'єру вона буде перекинута в область pде вона буде вже основним носієм. Рух неосновних носіїв через p–n-перехід під впливом електричного поля потенційного бар'єру зумовлює складову дрейфового струму.
За відсутності зовнішнього електричного поля встановлюється динамічна рівновага між потоками основних та неосновних носіїв електричних зарядів. Тобто між дифузійною та дрейфовою складовими струму p–n-переходу, тому що ці складові спрямовані назустріч один одному.
Потенційна діаграма p–n-Переходу зображена на рис. 1.13, причому за нульовий потенціал прийнято потенціал на межі поділу областей. Контактна різниця потенціалів утворює на межі розділу потенційний бар'єр із висотою. На діаграмі зображено потенційний бар'єр для електронів, які прагнуть за рахунок дифузії переміщатися праворуч наліво (з області nв область p). Якщо відкласти вгору позитивний потенціал, то можна отримати зображення потенційного бар'єру для дірок, що дифундують зліва направо (з області pв область n).
За відсутності зовнішнього електричного поля та за умови динамічної рівноваги в кристалі напівпровідника встановлюється єдиний рівень Фермі для обох областей провідності.
Однак оскільки у напівпровідниках p-Типу рівень Фермі
зміщується до стелі валентної зони, а напівпровідниках n-Типу -
До дна зони провідності, то на ширині p–n-переходу діаграма енергетичних зон (рис. 1.14) викривляється та утворюється потенційний бар'єр:
де - енергетичний бар'єр, який необхідно подолати електрону в області nщоб він міг перейти в область p, або аналогічно до дірки в області pщоб вона могла перейти в область n .
Висота потенційного бар'єру залежить від концентрації домішок, тому що при її зміні змінюється рівень Фермі, зміщуючись від середини забороненої зони до її верхньої або нижньої межі.
1.7.2. Вентильна властивість p-n-переходу
P-n-перехід, має властивість змінювати свій електричний опір в залежності від напрямку, що протікає через нього струму. Ця властивість називається вентильним, а прилад, що має таку властивість, називається електричним вентилем.
Розглянемо p–n-Перехід, до якого підключений зовнішній джерело напруги Uвн з полярністю, вказаною на рис. 1.15, «+» до області p-типу, «-» до області n-Типу. Таке підключення називають прямим включенням p-n-переходу (або прямим зміщенням p-n-переходу). Тоді напруженість електричного поля зовнішнього джерела Eвн буде спрямована назустріч напруженості поля потенційного бар'єру Eі, отже, призведе до зниження результуючої напруженості Eрез:
E рез = E - E вн , (1.14).
Це призведе, у свою чергу, до зниження висоти потенційного бар'єру та збільшення кількості основних носіїв, що дифундують через кордон розділу в сусідню область, які утворюють так званий прямий струм p–n-переходу. При цьому внаслідок зменшення гальмує, що відштовхує дії поля потенційного бар'єру на основні носії, ширина замикаючого шару зменшується (< ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.
У міру збільшення зовнішньої напруги прямий струм p–n-Переходу зростає. Основні носії після переходу межі розділу стають неосновними в протилежній області напівпровідника і заглибившись у неї рекомбінують з основними носіями цієї області. Але, поки підключено зовнішнє джерело, струм через перехід підтримується безперервним надходженням електронів із зовнішнього ланцюга n-область та відходом їх з p-області у зовнішній ланцюг, завдяки чому відновлюється концентрація дірок у p-області.
Введення носіїв заряду через p–n-перехід при зниженні висоти потенційного бар'єру в область напівпровідника, де ці носії є неосновними інжекцією носіїв заряду.
При протіканні прямого струму з діркової області рв електронну область nінжектуються дірки, та якщо з електронної області в дірочну – електрони.
Інжектуючий шар із відносно малим питомим опором називають емітером; шар, в який відбувається інжекція неосновних для нього носіїв заряду, - базою.
На рис. 1.16 зображена зонна енергетична діаграма, що відповідає прямому зміщенню p–n-переходу.
Якщо до р-n-переходу підключити зовнішнє джерело з протилежною полярністю «-» до області p-типу, «+» до області n-Типу (рис. 1.17), то таке підключення називають зворотним включенням p-n-переходу(або зворотним усуненням p-n-переходу).
У разі напруженість електричного поля цього джерела Eвн буде спрямована в той же бік, що і напруженість електричного поля Eпотенційного бар'єру; висота потенційного бар'єру зростає, а струм дифузії основних носіїв практично стає рівним нулю. Через посилення гальмує, що відштовхує дії сумарного електричного поля на основні носії заряду ширина замикаючого шару збільшується (> ), а його опір різко зростає.
Тепер через р-n-перехід протікатиме дуже малий струм, зумовлений перекиданням сумарним електричним полем межі розділу, основних носіїв, що виникають під впливом різних іонізуючих чинників, переважно теплового характеру. Процес перекидання неосновних носіїв заряду називається екстракцією. Цей струм має дрейфову природу і називається зворотним струмом р-n-переходу.
На рис. 1.18 зображена зонна енергетична діаграма, що відповідає зворотному зміщенню p–n- Переходу.
Висновки:
1. P-n-перехід утворюється на кордоні p- І n-областей, створених у монокристалі напівпровідника
2. В результаті дифузії в p–n-переході виникає електричне поле - потенційний бар'єр, що перешкоджає вирівнюванню концентрацій основних носіїв заряду у сусідніх областях.
3. За відсутності зовнішньої напруги Uвн в p–n-переході встановлюється динамічна рівновага: дифузійний струм стає рівним за величиною дрейфового струму, утвореного неосновними носіями заряду, внаслідок чого струм через p–n-перехід стає рівним нулю.
4. При прямому зміщенні p–n-Переходу потенційний бар'єр знижується і через перехід протікає відносно великий дифузійний струм.
5. При зворотному зміщенні p–n-Переходу потенційний бар'єр підвищується, дифузійний струм зменшується до нуля і через перехід протікає малий за величиною дрейфовий струм. Це говорить про те, що p–n-перехід має односторонню провідність. Ця властивість широко використовується для випрямлення змінних струмів.
6. Ширина p–n-переходу залежить: від концентрацій домішки в p- І n-областях, від знака та величини прикладеної зовнішньої напруги Uвн. При збільшенні концентрації домішок ширина p–n-переходу зменшується і навпаки. Зі збільшенням прямої напруги ширина p–n-переходу зменшується. При збільшенні зворотної напруги ширина p–n-переходу збільшується.
1.7.3. Вольт-амперна характеристика р-n-переходу
Вольт-амперна характеристика p–n-переходу - це залежність струму через p–n-Перехід від величини прикладеного до нього напруги. Її розраховують з припущення, що електричне полі поза збідненим шаром відсутня, тобто. вся напруга прикладена до p–n-переходу. Загальний струм через p–n-перехід визначається сумою чотирьох доданків:
де електронний струм дрейфу;
Дірковий струм дрейфу;
Електронний струм дифузії;
Дірковий струм дифузії; концентрація електронів, інжектованих в р- Область;
Концентрація дірок, інжектованих у n- Область.
При цьому концентрації неосновних носіїв n p0і p n0залежать від концентрації домішок N pі N nнаступним чином:
де n i, p i- Власні концентрації носіїв зарядів (без домішки) електронів і дірок відповідно.
Швидкість дифузії носіїв заряду υ n, p дифможна допустити близьку до їх швидкості дрейфу υ n, p іну слабкому електричному полі за невеликих відхилень від умов рівноваги. У цьому випадку для умов рівноваги виконуються такі рівні:
υ p диф = υ p ін = υ p , υ n диф = υ n ін = υ n.
Тоді вираз (1.15) можна записати у вигляді:
, (1.16).
Зворотний струм можна виразити так:
де D n, p- Коефіцієнт дифузії дірок або електронів;
L n, p- Дифузійна довжина дірок або електронів. Оскільки параметри D n, p , p n0 , n p0 , L n , p = залежать від температури, то зворотний струм частіше називають тепловим струмом.
При прямій напрузі зовнішнього джерела ( Uвн > 0) експоненційний член у виразі (1.16) швидко зростає, що призводить до швидкого зростання прямого струму, який, як було зазначено, в основному визначається дифузійною складовою.
При зворотній напрузі зовнішнього джерела
() експоненційний член набагато менше одиниці і струм р-n-Переходу практично дорівнює зворотному струму, що визначається, в основному, дрейфової складової. Вигляд цієї залежності представлений на рис. 1.19. Перший квадрант відповідає ділянці прямої гілки вольт-амперної характеристики, а третій квадрант – зворотній гілці. При збільшенні прямої напруги струм р-n-Переходу в прямому напрямку спочатку зростає відносно повільно, а потім починається ділянка швидкого наростання прямого струму, що призводить до додаткового нагрівання напівпровідникової структури. Якщо кількість тепла, що виділяється при цьому, буде перевищувати кількість тепла, що відводиться від напівпровідникового кристала або природним шляхом, або за допомогою
спеціальних пристроїв охолодження, можуть відбутися в напівпровідникової структурі незворотні зміни аж до руйнування кристалічної решітки. Тому прямий струм р-n-переходу необхідно обмежувати на безпечному рівні, що унеможливлює перегрів напівпровідникової структури. Для цього необхідно використовувати обмежувальний опір, послідовно підключений з p–n-переходом.
При збільшенні зворотної напруги, доданої до р-n-Переходу, зворотний струм змінюється незначно, так як дрейфова складова струму, що є превалюючою при зворотному включенні, залежить в основному від температури кристала, а збільшення зворотної напруги призводить лише до збільшення швидкості дрейфу неосновних носіїв без зміни їх кількості. Таке положення зберігатиметься до величини зворотної напруги, при якій починається інтенсивне зростання зворотного струму – так званий пробій р-n-переходу.
1.7.4. Види пробоїв p-n-переходу
Можливі оборотні та незворотні пробої. Оборотний пробій – це пробій, після якого p–n-Перехід зберігає працездатність. Необоротний пробій веде до руйнування структури напівпровідника.
Існують чотири типи пробою: лавинний, тунельний, тепловий та поверхневий. Лавинний та тунельний пробої об'єднаються під назвою – електричний пробій, який є оборотним. До незворотних відносять тепловий та поверхневий.
Лавинний пробійвластивий напівпровідникам, зі значною товщиною р-n-переходу, утворених слаболегованими напівпровідниками При цьому ширина збідненого шару набагато більша за дифузійну довжину носіїв. Пробій відбувається під дією сильного електричного поля з напруженістю Е(8…12) , .У лавинному пробої основна роль належить неосновним носіям, які утворюються під впливом тепла в р-n-перехід.
Ці носії випробовують із боку електричного поля р-n-переходу прискорюючу дію і починають прискорено рухатися вздовж силових ліній цього поля. За певної величини напруженості неосновні носії заряду на довжині вільного пробігу l (рис. 1.20) можуть розігнатися до такої швидкості, що їх кінетичної енергії може виявитися достатньо, щоб при черговому зіткненні з атомом напівпровідника його іонізувати, тобто. "вибити" один з його валентних електронів і перекинути його в зону провідності, утворивши при цьому пару "електрон - дірка". Носії, що утворилися, теж почнуть розганятися в електричному полі, стикатися з іншими нейтральними атомами, і процес, таким чином, лавиноподібно наростатиме. При цьому відбувається різке зростання зворотного струму при практично незмінному зворотному напрузі.
Параметром, що характеризує лавинний пробій, є коефіцієнт лавинного множення M, який визначається як кількість актів лавинного множення в області сильного електричного поля. Величина зворотного струму після лавинного множення дорівнюватиме:
де - Початковий струм; U– додана напруга; Uп – напруга лавинного пробою; n- Коефіцієнт, рівний 3 для Ge, 5 для Si.
Тунельний пробійвідбувається в дуже тонких р-n-переходах, що можливо при дуже високій концентрації домішок N 10 19 см -3 коли ширина переходу стає малою (порядку 0,01 мкм) і при невеликих значеннях зворотної напруги (кілька вольт), коли виникає великий градієнт електричного поля. Високе значення напруженості електричного поля, впливаючи на атоми кристалічних ґрат, підвищує енергію валентних електронів і призводить до їх тунельного «просочування» крізь «тонкий» енергетичний бар'єр (мал. 1.21) з валентної зони p-області в зону провідності n-області. Причому «просочування» відбувається без зміни енергії носіїв заряду. Для тунельного пробою також характерне різке зростання зворотного струму при практично незмінному зворотному напрузі.
Якщо зворотний струм при обох видах електричного пробою не перевищить максимально допустимого значення, при якому відбудеться пере-
грів і руйнування кристалічної структури напівпровідника, всі вони є оборотними і може бути відтворені багаторазово.
Тепловимназивається пробою р-n-переходу, зумовлений зростанням кількості носіїв заряду у разі підвищення температури кристала. Зі збільшенням зворотної напруги та струму зростає теплова потужність, що виділяється в р-n-перехід, і, відповідно, температура кристалічної структури Під впливом тепла посилюються коливання атомів кристала і слабшає зв'язок валентних електронів із нею, зростає можливість переходу в зону провідності та утворення додаткових пар носіїв «електрон – дірка». Якщо електрична потужність у р-n-перехід перевищить максимально допустиме значення, то процес термогенерації лавиноподібно наростає, в кристалі відбувається незворотна перебудова структури і р-n-перехід руйнується.
Для запобігання тепловому пробою необхідно виконання умови
де - максимально допустима потужність розсіювання р-n-переходу.
Поверхневий пробій. Розподіл напруженості електричного поля р-n-переход може істотно змінити заряди, що є на поверхні напівпровідника. Поверхневий заряд може призвести до збільшення або зменшення товщини переходу, в результаті чого на поверхні переходу може наступити пробій при напруженості поля, меншої за ту, яка необхідна для виникнення пробою в товщі напівпровідника. Це явище називають поверхневим пробоєм. Велику роль у разі виникнення поверхневого пробою грають діелектричні властивості середовища, що межує з поверхнею напівпровідника. Для зниження ймовірності поверхневого пробою застосовують спеціальні захисні покриття з високою постійною діелектричною.
1.7.5. Ємність р-n-переходу
Зміна зовнішньої напруги на p–n-переході призводить до зміни ширини збідненого шару і, відповідно, накопиченого в ньому електричного заряду (це також обумовлено зміною концентрації інжектованих носіїв заряду поблизу переходу). Виходячи з цього p–n-перехід веде себе подібно до конденсатора, ємність якого визначається як відношення зміни накопиченого в p–n-переході заряду до того, що зумовило цю зміну прикладеному зовнішньому напрузі.
Розрізняють бар'єрну(або зарядну) та дифузійнуємність р-n-переходу.
Бар'єрна ємність відповідає зворотному включенню p–n-переходу, що розглядається як звичайний конденсатор, де пластинами є межі збідненого шару, а сам збіднений шар служить недосконалим діелектриком зі збільшеними діелектричними втратами:
де відносна діелектрична проникність напівпровідникового матеріалу; - Електрична постійна (); S – площа p–n-переходу; - Ширина збідненого шару.
Бар'єрна ємність зростає зі збільшенням площі p–n-переходу та діелектричної проникності напівпровідника та зменшення ширини обіднього шару. Залежно від площі переходу бар може бути від одиниць до сотень пікофарад.
Особливістю бар'єрної ємності є те, що вона є нелінійною ємністю. При зростанні зворотної напруги ширина переходу збільшується та ємність З барзменшується. Характер залежності З бар = f (U обр)показує графік на рис. 1.22. Як видно, під впливом U пробємність З барзмінюється у кілька разів.
Дифузійна ємність характеризує накопичення рухомих носіїв заряду n- І p-областях при прямому напрузі на переході Вона практично існує тільки при прямій напрузі, коли носії заряду дифундують (інжектують) у великій кількості через знижений потенційний бар'єр і, не встигнувши рекомбінувати, накопичуються в n- І p-областей. Кожному значенню прямої напруги відповідають певні значення двох різноіменних зарядів + Q дифі -Q диф, накопичених у n- І p-областях за рахунок дифузії носіїв через перехід Ємність З дифє ставлення зарядів до різниці потенціалів:
Зі збільшенням U прпрямий струм зростає швидше, ніж напруга, т.к. вольт-амперна характеристика для прямого струму має нелінійний вигляд, тому Q дифзростає швидше, ніж U прі З дифзбільшується.
Дифузійна ємність значно більша за бар'єрну, але використовувати її не вдається, т.к. вона виявляється шунтованою малим прямим опором p–n-переходу. Чисельні оцінки величини дифузійної ємності показують, що її значення сягає кількох одиниць мікрофарад.
Таким чином, р-n-перехід можна використовувати як конденсатор змінної ємності,
керованого величиною та знаком прикладеної напруги.
1.7.6. Контакт «метал – напівпровідник»
У сучасних напівпровідникових приладах крім контактів із p–n-Переходом застосовуються контакти «метал - напівпровідник».
Контакт «метал – напівпровідник» виникає у місці зіткнення напівпровідникового кристала n- або р-Типу провідності з металами. Процеси, що при цьому відбуваються, визначаються співвідношенням робіт виходу електрона з металу і з напівпровідника. Під роботою виходу електронарозуміють енергію, необхідну переносу електрона з рівня Фермі на енергетичний рівень вільного електрона. Чим менша робота виходу, тим більше електронів може вийти з цього тіла.
Внаслідок дифузії електронів та перерозподілу зарядів порушується електрична нейтральність прилеглих до межі розділу областей, виникає контактне електричне поле та контактна різниця потенціалів:
. (1.21)
Перехідний шар, в якому існує контактне електричне поле при контакті «метал-напівпровідник», називається переходом Шоттки, На ім'я німецького вченого В. Шоттки, який перший отримав основні математичні співвідношення для електричних характеристик таких переходів.
Контактне електричне поле на переході Шоттки зосереджено практично в напівпровіднику, оскільки концентрація носіїв заряду в металі значно більша за концентрацію носіїв заряду в напівпровіднику. Перерозподіл електронів у металі відбувається у дуже тонкому шарі, порівнянному з міжатомною відстанню.
Залежно від типу електропровідності напівпровідника та співвідношення робіт виходу в кристалі може виникати збіднений, інверсний або збагачений шар носіями електричних.
1. < , полупроводник n-Типу (рис. 1.23, а). В даному випадку переважатиме вихід електронів з металу ( M) у напівпровідник, у шарі напівпровідника біля межі розділу накопичуються основні носії (електрони), і це шар стає збагаченим, тобто. які мають підвищену концентрацію електронів. Опір цього шару буде малим за будь-якої полярності прикладеної напруги, і, отже, такий перехід не має випрямляючої властивості. Його інакше називають невипрямляючим переходом.
2. < , полупроводник p-Типу (рис. 1.23, б). В цьому випадку переважатиме вихід електронів з напівпровідника в метал, при цьому в прикордонному шарі також утворюється область, збагачена основними носіями заряду (дірками), що має мале опір. Такий перехід також не має випрямляючої властивості.
3. , напівпровідник n-типу (рис. 1.24 а). За таких умов електрони переходитимуть головним чином з напівпровідника в метал і в прикордонному шарі напівпровідника утворюється область, збіднена основними носіями заряду і має великий опір. Тут створюється порівняно високий потенційний бар'єр, висота якого суттєво залежатиме від полярності прикладеної напруги. Якщо , то можливе утворення інверсного шару ( p-Типу). Такий контакт має властивість, що випрямляє.
4. , напівпровідник p-Типу (рис. 1.24, б). Контакт, утворений за таких умов має випрямляючу властивість, як і попередній.
Відмінною особливістю контакту «метал – напівпровідник» є те, що на відміну від звичайного p–n-переходу тут висота потенційного бар'єру для електронів та дірок різна. Через війну такі контакти може бути за певних умов неинжектирующими, тобто. при протіканні прямого струму через контакт у напівпровідникову область не інжектуватимуться неосновні носії, що дуже важливо для високочастотних та імпульсних напівпровідникових приладів.
Напівпровідникові діоди
Електронно-дірковим переходом називають тонкий шар між двома частинами напівпровідникового кристала, в якому одна частина має електронну, а інша -діркову електропровідність.
Технологічний процес створення електронно-діркового переходу може бути різним: сплавлення (сплавні діоди), дифузія однієї речовини в іншу (дифузійні діоди), епітаксія - орієнтований ріст одного кристала на поверхні іншого (епітаксіальні діоди) та ін. За конструкцією електронно-діркові переходи можуть бути симетричними та несиметричними, різкими та плавними, площинними та точковими та ін. Проте для всіх типів переходів основною властивістю є несиметрична електропровідність, при якій в одному напрямку кристал пропускає струм, а в іншому – не пропускає.
Пристрій електронно-діркового переходу показано на рис. 2.1а. Одна частина цього переходу легована донорною домішкою та має електронну провідність (N-область). Інша частина, легована акцепторною домішкою, має дірочну провідність (Р-область). Концентрація електронів в одній частині та концентрація дірок в іншій суттєво різняться. З іншого боку, обох частинах є невелика концентрація неосновних носіїв.
Електрони в N-області прагнуть проникнути в Р-область, де концентрація електронів значно нижча. Аналогічно, дірки з Р-області переміщуються N-область. Внаслідок зустрічного руху протилежних зарядів виникає так званий дифузійний струм. Електрони та дірки, перейшовши через межу розділу, залишають після себе протилежні заряди, які перешкоджають подальшому проходженню дифузійного струму. В результаті на кордоні встановлюється динамічна рівновага та при замиканні N-і Р-областей струм у ланцюзі не протікає. Розподіл густини об'ємного заряду в переході наведено на рис. 2.1 б.
При цьому всередині кристала на межі розділу виникає власне електричне поле E властивостей, напрямок якого показано на рис. 2.1. Напруженість цього поля максимальна на межі розділу, де відбувається стрибкоподібна зміна знака об'ємного заряду. На деякій відстані від межі розділу об'ємний заряд відсутній і напівпровідник є нейтральним.
Висота потенційного бар'єру на p-n-переході визначається контактною різницею потенціалів N-та Р-областей. Контактна різниця потенціалів, своєю чергою, залежить від концентрації домішок у цих областях:
де j T = kT/q - тепловий потенціал,
N nі Р р- концентрації електронів і дірок n - і p - областях,
n i - концентрація носіїв зарядів у нелегованому напівпровіднику.
Контактна різниця потенціалів для германію має значення 0,6...0,7 В, а для кремнію - 0,9...1,2 В. Висоту потенційного бар'єру можна змінювати додатком зовнішньої напруги до р-п-переходу. Якщо зовнішнє напруга створює в p-n-переході поле, яке збігається з внутрішнім, то висота потенційного бар'єру збільшується, при зворотній полярності напруги прикладеної напруги висота потенційного бар'єру зменшується.
Мал. 2.1. Різкий р-n-перехід та розподіл об'ємного заряду в ньому
Якщо прикладена напруга дорівнює контактній різниці потенціалів, то потенційний бар'єр зникає повністю
Вольт-амперна характеристика p-n-переходу є залежністю струму через перехід при зміні на ньому значення і полярності прикладеної напруги. Якщо прикладена напруга знижує потенційний бар'єр, воно називається прямим, і якщо підвищує його - зворотним.
Додаток прямої та зворотної напруги до p-n-переходу показано на рис. 2.2.
Зворотний струм p-n-переході викликається неосновними носіями однієї з областей, які, дрейфуючи в електричному полі області об'ємного заряду, потрапляють в область, де вони вже є основними носіями. Так як концентрація основних носіїв істотно перевищує концентрацію неосновних, поява незначної додаткової кількості основних носіїв практично не змінить рівноважного стану напівпровідника. Таким чином, зворотний струм залежить лише від кількості неосновних носіїв, що з'являються на межах області об'ємного заряду. Зовнішня напруга визначає швидкість переміщення цих носіїв з однієї області в іншу, але не кількість носіїв, що проходять через перехід в одиницю часу. Отже, зворотний струм через перехід є струмом провідності і залежить від висоти потенційного бар'єру, тобто він залишається постійним при зміні зворотної напруги на переході.
Цей струм називається струмом насичення та позначається
I обр = IS.
При прямому зміщенні р-n-переходу з'являється (дифузійний) струм, викликаний дифузією основних носіїв, які долають потенційний бар'єр.
Пройшовши p-n-перехід, ці носії потрапляють у область напівпровідника, котрі вони є неосновними носіями. Концентрація неосновних носіїв у своїй може значно зрости проти рівноважної концентрацією. Таке явище зветься інжекції носіїв.
Таким чином, при протіканні прямого струму через перехід з електронної області в дірочну відбуватиметься інжекція електронів, а з дірочної області відбуватиметься інжекція дірок. Дифузійний струм залежить від висоти потенційного бар'єру і в міру його зниження експоненційно збільшується:
де U- Напруга на p-n-переході.
Рис 2 Додаток зворотного (а) і прямого (б) напруги до р-n-переходу
Крім дифузійного струму прямий струм містить струм провідності, що протікає в протилежному напрямку, тому повний струм при прямому зміщенні p-n-переходу дорівнюватиме різниці дифузійного струму (2.2) і струму провідності:
Рівняння (2.3) називається рівнянням Еберса – Молла, а відповідна йому вольт-амперна характеристика р-n-переходу наведена на рис. 2.3. Оскільки при T=300К тепловий потенціал j т =25мВ, то вже за U = 0,1 можна вважати, що
Диференціальний опір p-n-переходу можна визначити, скориставшись формулою (2.3):
звідки отримуємо
Приміром, при струмі I = 1А і j Т = 25 мВ диференціальний опір переходу дорівнює 25 мОм.
Граничне значення напруги на p-n-переході при прямому зміщенні не перевищує контактної різниці потенціалів y до.Зворотне напруження обмежується пробоєм p-n-переходу. Пробою p-n-переходу виникає за рахунок лавинного розмноження неосновних носіїв і називається лавинним пробоєм. При лавинному пробої p-n-переходу струм через перехід обмежується лише опором живильної р-п-перехіделектричного кола (рис. 2.3).
Напівпровідниковий р-п-перехід,має ємність, яка у випадку визначається як відношення збільшення заряду на переході до збільшення падіння напруги у ньому, тобто.
C=dq/du.
Мал. 2.3. Вольт-амперна характеристика р-n-переходу
Місткість переходу залежить від значення та полярності зовнішньої прикладеної напруги. При зворотному напрузі на переході ця ємність називається бар'єрною та визначається за формулою
де y К - контактна різниця потенціалів,
U- Зворотне напруження на переході,
З 6ар (0) - значення бар'єрної ємності при U=0,яке залежить від площі p-n-переходу та властивостей напівпровідникового кристала.
Залежність бар'єрної ємності від прикладеної напруги наведено на рис. 2.4. Теоретично бар'єрна ємність існує і при прямій напрузі на p-n-переході, проте вона шунтується низьким диференціальним опором r диф.
Мал. 2.4 Залежність бар'єрної ємності від напруги на p-n-переході
При прямому зміщенні p-n-переходу значно більший вплив має дифузійна ємність, яка залежить від значення прямого струму I і часу життя неосновних носіїв t нар.Ця ємність не пов'язана зі струмом зміщення, але дає такий самий зсув фази між напругою і струмом, що і звичайна ємність. Значення дифузійної ємності можна визначити за формулою
Повна ємність переходу при прямому зміщенні визначається сумою бар'єрної та дифузійної ємностей
При зворотному зміщенні переходу дифузійна ємність не відсутня і повна ємність складається тільки з бар'єрної ємності.
Напівпровідниковий діодназивають прилад, який має два висновки та містить один (або декілька) p-n-переходів. Усі напівпровідникові діоди можна поділити на дві групи: випрямлячі та спеціальні. Випрямні діоди, як випливає із самої назви, призначені для випрямлення змінного струму. Залежно від частоти та форми змінної напруги вони діляться на високочастотні, низькочастотні та імпульсні. Спеціальні типи напівпровідникових діодів використовують різні властивості р-n-переходів; явище пробою, бар'єрну ємність, наявність ділянок з негативним опором та ін.
Конструктивно випрямні діодиділяться на площинні та точкові, а за технологією виготовлення на сплавні, дифузійні та епітаксійні. Площинні діоди завдяки великій площі ^-л-переходу використовуються для випрямлення великих струмів. Точкові діоди мають малу площу переходу і, відповідно, призначені для випрямлення малих струмів. Для збільшення напруги лавинного пробою використовуються стовпи, що складаються з ряду послідовно включених діодів.
Випрямлювальні діоди великої потужності називають силовими. Матеріалом для таких діодів зазвичай є кремній або арсенід галію. Німеччина практично не застосовується через сильну температурну залежність зворотного струму. Кремнієві сплавні діоди використовуються для випрямлення змінного струму із частотою до 5 кГц. Кремнієві дифузійні діоди можуть працювати на підвищеній частоті до 100 кГц. Кремнієві епітаксії діоди з металевою підкладкою (з бар'єром Шотки) можуть використовуватися на частотах до 500 кГц. Арсенідгалієві діоди здатні працювати в діапазоні частот до декількох МГц.
При великому струмі через p-n-перехід значна напруга падає в об'ємі напівпровідника, і нехтувати ним не можна. З урахуванням виразу (2.4) вольт-амперна характеристика випрямного діода набуває вигляду
де R- Опір обсягу напівпровідникового кристала, який називають послідовним опором.
Умовне графічне позначення напівпровідникового діода наведено на рис. 2.5 а, яке структура на рис. 2.5 б.Електрод діода підключений до області Р,називають анодом (за анологією з електровакуумним діодом), а електрод, підключений до області N,- Катодом. Статична вольт-амперна характеристика діода показано на рис. 2.5 в.
Мал. 2.5. Умовне позначення напівпровідникового діода (а), його структура (б) та вольт-амперна характеристика (в)
Силові діоди зазвичай характеризують набором статичних та динамічних параметрів. До статичних параметрів діода належать:
Падіння напруги U npна діоді за деякого значення прямого струму;
Зворотний струм I о6р при певному значенні зворотної напруги;
Середнє значення прямого струму I пр ср;
Імпульсна зворотна напруга U о6рі.
До динамічних параметрів діода відносяться його часові чи частотні характеристики. До таких параметрів належать:
Час відновлення t зворотної напруги;
Час наростання прямого струму I нар;
Гранична частота без зниження режимів діода f max.
Статичні параметри можна встановити за вольт-амперною характеристикою діода, яка наведена на рис. 2.5 в.Типові значення статичних параметрів силових діодів наведено у табл. 2.1.
Таблиця 2.1Статичні параметри силових випрямляючих діодів
Час зворотного відновленнядіода t сх є основним параметром випрямних діодів, що характеризує їх інерційні властивості. Воно визначається при перемиканні діода із заданого прямого струму I пр на задану зворотну напругу U о6р. Графіки такого перемикання наведено на рис. 26 б. Схема випробування наведена на рис. 26 б,являє собою однонапівперіодний випрямляч, що працює на резистивне навантаження R Hі живиться від джерела напруги прямокутної форми.
Напруга на вході схеми в момент часу? = 0 стрибком набуває позитивного значення U m.Через інерційність дифузійного процесу струм у діоді з'являється не миттєво, а наростає протягом часу t m.Спільно з наростанням струму в діоді знижується напруга на діоді, яке після 4а Р стає рівним £/вр. У момент часу t tв ланцюзі встановлюється стаціонарний режим, при якому струм діода i=I s ~U m /R B .
Таке становище зберігається до моменту часу t 2 ,коли полярність напруги живлення змінюється протилежну. Однак заряди, накопичені на межі ^-і-переходу, деякий час підтримують діод у відкритому стані, але напрям струму в діоді змінюється на прбішополож-не. Фактично, відбувається розсмоктування зарядів на гранйке5" (рчмгерехода (тобто розряд еквівалентної ємності). Після інтервалу часу розсмоктування /,„
починається процес вимикання діода, тобто процес відновлення його замикаючих властивостей,
На момент часу< 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени і,після чого діод виявляється замкненим. На той час струм у діоді стає рівним 1^, а напруга досягає значення - U m.Таким чином, час t^можна відраховувати від переходу U aчерез нуль до досягнення струмом діода значення 1^.
Розгляд процесів включення і вимкнення випрямного діода показує, що він не є ідеальним вентилем і в певних умовах має провідність у зворотному напрямку. Час розсмоктування неосновних носіїв у /?-і-переході можна визначити за формулою
де х р- Час життя неосновних носіїв.
Час відновлення зворотної напруги на діоді можна оцінити за наближеним виразом
Слід зазначити, що за R a =0(що відповідає роботі діода на ємнісне навантаження) зворотний струм через діод в момент його замикання може у багато разів перевищувати струм навантаження в стаціонарному режимі.
З розгляду графіків рис. 2.6 а слід, що потужність втрат у діоді різко підвищується при його включенні і, особливо, при вимиканні. Отже, втрати у діоді зростають із підвищенням частоти випрямленої напруги. При роботі діода на низькій частоті та гармонійній формі напруги живлення імпульси струму великої амплітуди відсутні і втрати у діоді різко знижуються.
У разі зміни температури корпусу діода змінюються його параметри. Ця залежність має враховуватися під час розробки апаратури. Найбільш сильно залежать від температури пряма напруга на діоді та його зворотний струм. Температурний коефіцієнт напруги (ТКН) на діоді має негативне значення, оскільки зі збільшенням температури напруга на діоді зменшується. Наближено вважатимуться, що ТКН U up =-2mB/K.
Зворотний струм діода залежить від температури корпусу ще сильніший і має позитивний коефіцієнт. Так, зі збільшенням температури кожні 10°З зворотний струм германієвих діодів збільшується вдвічі, а кремнієвих - 2,5 разу.
Втрати у випрямлювальних діодах можна розраховувати за формулою
де Р 11р - втрати в діоді при прямому напрямку струму, Р^- Втрати в діоді при зворотному струмі, Р, до- Втрати в діоді на етапі зворотного відновлення.
Мал. 2 6 Графіки процесів відмикання та замикання діода (а) та схема випробування (б)
Наближене значення втрат у прямому напрямку можна розрахувати за формулою
де /„pep та (/„pq, - середні значення прямого струму та прямої напруги на діоді. Аналогічно можна розрахувати втрати потужності при зворотному струмі:
І, нарешті, "втрати на етапі зворотного відновлення визначаються за формулою
де/"- Частота "змінної напруги.
Після розрахунку потужності втрат у діоді слід визначити температуру корпусу діода за формулою
де Г пмакс = 150 ° С - максимально допустима температура кристала діода, R nK- тепловий опір перехід-корпус діода (наводиться в довідкових даних на діод), Г до макс - максимально допустима температура корпусу діода.
Діоди з бар'єром ШоткиДля випрямлення малої напруги високої частоти широко використовуються діоди з бар'єром Шотки (ДШ). У цих діодах замість р-і-переходу використовується контакт металевої поверхні із напівпровідником. У місці контакту виникають збіднені носіями заряду шари напівпровідника, які називаються запірними. Діоди з бар'єром Шотки відрізняються від діодів з р-я-перехідом по наступним параметрам:
Нижче пряме падіння напруги;
Мають нижчу зворотну напругу;
Вищий струм витоку;
Майже повністю відсутня заряд зворотного відновлення.
Дві основні характеристики роблять ці діоди незамінними при проектуванні високовольтних високочастотних випрямлячів: мале пряме падіння напруги і малий час відновлення зворотної напруги. Крім того, відсутність неосновних носіїв, що потребують часу на зворотне відновлення, означає фізичну відсутність втрат на перемикання самого діода.
У діодах із бар'єром Шотки пряме падіння напруги є функцією зворотної напруги. Максимальна напруга сучасних діодів Шотка становить близько 150В. У цьому напрузі пряме напруга ДШ менше прямої напруги діодів з р-и-переходом на 0,2...0,3В.
Переваги діода Шотки стають особливо помітними при випрямленні малої напруги. Наприклад, 45-вольтний діод Шотки має пряму напругу 0,4...0,6В, а при тому ж струмі діод з->л-переходом має падіння напруги 0,5...1,0В. При зниженні зворотної напруги до 15В пряма напруга зменшується до 0,3...0,4В. У середньому застосування діодів Шотки у випрямлячі дозволяє зменшити втрати приблизно на 10...15%. Максимальна робоча частота ДШ перевищує 200 кГц за струму до 30 А.
Подібна інформація.
