Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы

Реферат

Полупроводниковые приборы

1. Полупроводниковые диоды

Диод - это электропреобразовательный полупроводниковый прибор (ПП) с одним электрическим переходом и двумя выводами. Устройство полупроводникового диода схематически показано на рис.1. База Б и эмиттер Э с помощью базового БЭ и эмиттерного ЭЭ электродов, обеспечивающих омические контакты с n- и p- областями, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается во внешнюю цепь.

По назначению и характеру использования в схемах диоды подразделяются на выпрямительные, стабилитроны, импульсные, варикапы и т.д. Каждый вид полупроводниковых диодов определяется своими классификационными параметрами.

1.1 Вольт-амперная характеристика диода

Теоретические ВАХ n-p-перехода и полупроводникового диода показаны на рис.1.2 (кривая 1-ВАХ перехода, кривая 2 - ВАХ диода). Как видно из рисунка, эти характеристики несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы r_б, которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков Ом. Падение напряжения на сопротивлении r_б становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов.

Рис 1.2 ВАХ диода

В результате напряжение непосредственно на n-p-переходе будет

меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением

I_пр=I₀(e^(U_пр^-I_пр^r)/φ-1)=I₀(e^U_пр^/mφ-1) , (1.1)

где I₀ - тепловой обратный ток перехода; φ - термический потенциал; m - поправочный коэффициент; U_пр - напряжение, приложенное к выводам; r - суммарное сопротивление базы и электродов диода.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I₀. Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации I_тг. С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет, и ток I_тг также увеличивается.

Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки I_у. В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый I_обр, определяется как сумма токов:

I_обр=I₀+I_тг+I_у (1.2)

Влияние температуры на ВАХ диода. С изменением температуры несколько меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ диода. При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных носителей в кристалле полупроводника, и поэтому растет обратный ток перехода. Это вызвано увеличением двух составляющих тока I₀ и I_тг, изменяющихся по законам:

I₀(T)=I₀(T₀)e^{a ∆T} , I_тг(T)= I_тг(T₀)e^{b ∆T}. (1.3)

Здесь I₀(T₀)и I_тг(T₀) - токи при температуре T₀ ; ∆ Т = Т- T₀; для кремния а - 0,09 K^-1 и b=0,07 K^-1.

Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и становится более крутой. Это объясняется ростом I_обр (1.2) и уменьшением r_б, что, в свою очередь, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении на внешних выводах.

Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН) γ_T=∆U/∆T , показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1°С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до +60 °С γ_T ≈ -2,3 мВ/°С.

1.2 Основные типы диодов

Выпрямительные диоды. Выпрямительные диоды - самые распространенные полупроводниковые диоды, применяемые в выпрямителях - устройствах, преобразующих переменный ток промышленной частоты в постоянный. В выпрямительных диодах используются переходы с большой площадью для пропускания больших токов.

Кремниевые выпрямительные диоды работают в диапазоне температур от -60 до +125°С. Предельный электрический режим диодов характеризуется максимальным обратным напряжением U_{обр. max} максимальным прямым током I_выпр (или средним выпрямленным током). Эти параметры являются классификационными. Отечественной промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих допустимые U_обр для одного диода, то диоды соединяют последовательно.

Для увеличения выпрямительного тока может применяться параллельное включение диодов.

Стабилитроны. Предназначены для использования в схемах, обеспечивающих стабилизацию напряжений.

Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок в области электрического пробоя. ВАХ кремниевого стабилитрона показана на рис.1.3. Максимальный ток I_max ограничивается лишь мощностью P_max , рассеиваемой переходом. Эта мощность приводится в справочных данных ( I_max=P_max/U_ст , где U_ст - напряжение стабилизации). У современных стабилитронов величина максимального тока лежит в пределах от нескольких миллиампер до нескольких ампер. Превышение этой величины ведет к выходу диода из строя из-за теплового пробоя.

Минимальный ток стабилизации у разных типов стабилитронов обычно составляет доли - единицы миллиампер. Напряжение стабилизации t/_CT для серийных диодов находится в пределах от единиц до нескольких сотен вольт. Основным классификационным параметром стабилитронов является напряжение стабилизации. В диапазоне рабочих токов задается также максимальная величина дифференциального сопротивления диода (сопротивление прибора переменному току в рабочей точке). Обычно это сопротивление не превышает нескольких десятков ом. Если стабилитрон используется в схеме прецизионного стабилизатора, то для него важным классификационным параметром является температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН= который показывает, как меняется относительная величина напряжения стабилизации при изменении температуры на 1°С. У выпускаемых приборов ТКН не превышает ±0,1%/°С. Величина и знак ТКН зависят от напряжения стабилизации (рис.1.4): для напряжений, меньших 5 В и соответствующих узким переходам, в которых преобладает туннельный пробой, ТКН отрицателен; для напряжений, больших 5 В и соответствующих широким переходам, в которых имеет место лавинный пробой, ТКН положителен. Для компенсации температурного дрейфа напряжения прибегают к различным методам. Например, для стабилитронов с положительным ТКН используют последовательное подключение прямосмещенного n-p - перехода, у которого ТКН отрицателен. Среднее значение ТКН такого прибора не превышает нескольких тысячных долей в широком диапазоне температур.

Варикапы. Зависимость емкости n-p -перехода от обратного напряжения используется в полупроводниковых диодах, называемых варикапами. Для варикапов характерна малая инерционность процесса изменения емкости. Они используются в колебательных контурах для частотной модуляции и автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях и других устройствах. Благодаря малому обратному току потери в переходе несущественны, поэтому добротность емкости варикапа оказывается высокой. Добротность оценивается отношением реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь диода на заданной частоте и зависит от частоты. Основной характеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика (рис. 1.5).

Важнейшим параметром варикапа является коэффициент перекрытия по емкости Кс = C_в1/ С_в2 , где С_в1 и С_в2 - емкости варикапа при заданных значениях обратного напряжения U_обр1 и U_обр2 .Вольт-фарадная характеристика варикапа нелинейна. Для ряда современных варикапов коэффициент перекрытия по емкости может достигать десятков единиц при изменении обратного напряжения от десятых долей вольта до десяти - двадцати вольт.

Основными классификационными параметрами варикапов являются: емкость С_в.н при номинальном обратном напряжении U_обр.н, коэффициент перекрытия по емкости, минимальная добротность на заданной частоте и максимально допустимое обратное напряжение.

Высокочастотные диоды. Рассмотренные ранее выпрямительные диоды, как правило, применяются в схемах, в которых частота подводимого к диоду напряжения не превышает нескольких килогерц. Самые современные выпрямительные диоды с барьером Шотки работают на частотах порядка сотен килогерц - единиц мегагерц. Однако в целом ряде устройств требуются полупроводниковые диоды, рабочая частота которых должна достигать единиц и даже десятков гигагерц. Такие, диоды называются высокочастотными.

В высокочастотных диодах часто используют точечную конструкцию, в которой n-p -переход образован контактом металлической иглы с полупроводниковым кристаллом. Площадь контакта - менее 50 мкм², поэтому емкость перехода мала. Для точечных диодов характерны меньшие допустимые величины обратных напряжений, чем у ранее рассмотренных диодов. Особенностями ВАХ диода точечной конструкции являются отсутствие ярко выраженного горизонтального участка на обратной ветви и плавный переход в режим пробоя. Основными классификационными параметрами являются прямой ток при заданном напряжении, как правило, равном 1 В, и допустимое обратное напряжение. Предельные электрические параметры - это максимальный прямой ток через диод I_пр.max максимальное обратное напряжение U_обр..max .

Переключающие диоды. В ряде электронных схем полупроводниковый диод должен работать в режиме переключения, т.е. в одни периоды времени он оказывается смещенным в прямом направлении, а в другие - в обратном. В первом случае сопротивление диода мало, во втором - велико. В идеальном случае переключение из одного состояния в другое должно происходить мгновенно. Реально время перехода из одного состояния в другое имеет определенную величину.

Рассмотрим причины, ограничивающие быстродействие переключающих диодов. Пусть в схеме (рис. 1.6а) входное напряжение имеет прямоугольную форму (рис.1.6б). При U_вх=U₁ >0 диод открывается, и на протяжении временя t₀ через него протекает прямой ток i_пр= (рис. 1.6в). При этом в базе накапливается заряд инжектированных в нее неосновных носителей. Когда входное напряжение скачком изменяется от U₁ до U₂, сопротивление диода вначале оказывается небольшим, поскольку в базе существует заряд. При этом обратный ток имеет величину, равную i_{обр. max}=  .

С течением времени накопленный заряд уменьшается за счет протекания обратного тока и рекомбинации носителей. При этом увеличивается обратное сопротивление, а обратный ток уменьшается до установившегося значения I_обр.

Быстродействие переключающих диодов характеризуется временем t_y установления прямого напряжения на диоде, которое зависит от скорости диффузии инжектированных в базу неосновных носителей, и временем t_B восстановления обратного сопротивления. За время восстановления принимается время, прошедшее с момента подачи на диод обратного напряжения (смены полярности входного напряжения), до момента времени, когда обратный ток достигает определенного заданного значения. В качестве заданного в некоторых случаях берут значение обратного тока, равное 0,1 i_np, а в некоторых - 0,1 i_{обр. max} •

Характер изменения обратного тока во времени показан на рис.1.6в. Время восстановления можно разбить на два интервала - t₁ и t₂. В интервале t₁ обратный ток почти не уменьшается, так как концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода остается неравновесной. В конце интервала времени t₁ концентрация на границе становится равновесной, и начинается быстрое уменьшение обратного тока и рост обратного сопротивления диода.

Основными классификационными параметрами переключающих диодов являются: максимальное прямое импульсное сопротивление R_имп.max равное отношению максимального импульсного прямого напряжения на диоде к импульсному прямому току I_пр.имп; время восстановления обратного сопротивления, емкость при заданном обратном напряжении. У современных переключающих диодов t_B составляет 10 + 100 нс и менее.

Диоды Шотки. В диодах этого типа используется контакт Шотки (контакт металл - полупроводник). Инжекция неосновных носителей в базу отсутствует, так как прямой ток образуется электронами, движущимися из кремния в металл. Накопление заряда в базе диода не происходит, и поэтому время переключения диода может быть существенно уменьшено (до значений порядка 100 пс).

Другой важной особенностью диодов Шотки является меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением обычного n-p -перехода при тех же токах. Это объясняется тем, что тепловой ток I₀, у перехода с барьером Шотки примерно на три порядка превышает ток n-p -перехода. Причиной этого является движение электронов в металл из полупроводника, происходящее с тепловой скоростью, существенно превышающей диффузионную. Диоды Шотки используются в комбинации с транзисторами для работы в переключающих схемах. Мощные диоды Шотки с прямыми токами до десятков ампер и обратными напряжениями до сотен вольт применяются в выпрямителях переменного тока.

Фотодиод (ФД) представляет собой диод с открытым p-n-переходом. Световой поток, падающий на открытый p-n-переход приводит к появлению в одной из областей дополнительных не основных носителей зарядов, в результате чего увеличивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется формулой

 (1.4)

где  - фототок,

- интегральная чувствительность,

Ф - световой поток.

Вольт-амперные характеристики ФД приведены на рис. 1.7 а, а его схематичное изображение - на рис.1.7 б

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах: 1) короткого замыкания и 2)холостого хода. В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде равен фототоку, т. е.  

Таким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. Такая пропорциональность достаточно хорошо соблюдается в пределах 6-7 порядков. В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого хода , отмеченное на рис. 1.7 а, лежит на горизонтальной оси. Для определения этого напряжения можно прологарифмировать выражение (1.4), откуда находим

 (1.5)

Таким образом, при I=0 область Р заряжается положительно, а область N - отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется разность потенциалов, называемая фото-эдс. Фото-эдс равна напряжению  и не может превышать контактной разности потенциалов . Для кремниевых фотодиодов напряжения <0.7 В.

Схема включения фотодиода на нагрузку приведена на рис. 1.8а, а нагрузочная характеристика - на рис. 1.86.

Для построения нагрузочной прямой на горизонтальной оси нужно отложить напряжение источника Е, а на вертикальной оси - ток короткого замыкания . Прямая, соединяющая эти точки, и является нагрузочной прямой. Пересечение нагрузочной прямой с вольт-амперными характеристиками фотодиода позволяет определить напряжение на нагрузке . Для этого нужно из точек пересечения восстановить перпендикуляры до пересечения с горизонтальной осью. Эти точки пересечения и дают значение напряжения на нагрузке.

Напряжение на нагрузке определяется как разность напряжения источника питания и напряжения на фотодиоде

.

График зависимости  приведен на рис. 1.8 в.

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения. Основными характеристиками фотодиодов являются: диапазон длин волн принимаемого излучения, интегральная чувствительность S_i ,темновой ток I_т постоянная времени . Большинство фотодиодов работает в широком диапазоне длин волн как видимого, так и невидимого излучения  = 0,4...2мкм. Интегральная чувствительность зависит от площади p-n-перехода и может изменяться в пределах 10^-3... 1 мкА/люкс. Темновой ток обычно невелик и имеет значение 10²... 1мкА.

В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним и интегрированным вместе с фотоприемником.

Светоизлучающие диоды (СИД) преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация (объединение) электронов и дырок происходит с выделением тепла, т. е. без светового излучения. Такая рекомбинация вызывается фононной. В СИД преобладает рекомбинация с излучением света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения можно менять материал, из которого изготовлен светодиод, или изменять ток. На рис. 1.9. а показано схематическое изображение светодиода, а на рис. 1.9 б приведены спектральные характеристики излучения.

Для изготовления светодиодов наиболее часто используют фосфид галлия или арсенид галлия. Для диодов видимого излучения часто используют фосфид-арсенид галлия. Из отдельных светодиодов собирают блоки и матрицы, которые позволяют высвечивать изображения букв и цифр.

Инжекционный лазер - это диод с монохроматическим излучением. Когерентное монохроматическое излучение обеспечивается стимулированной фотонной рекомбинацией, которая возникает при инжекции носителей заряда при определенном токе. Минимальный ток, при котором преобладает стимулированная фотонная рекомбинация, называется пороговым. При увеличении тока выше порогового значения происходит ухудшение монохроматического излучения.

Библиографический список

1.   Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб. Пособие для вузов.- 3-еизд.,перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1991.- 592с.: ил.

.     Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / Ю.И. Волощенко, Ю.Ю. Мартюшев, И.Н. Никитина и др.; Под ред. Г.Д. Петрухина.-М.:Изд-во МАИ, 1993.-416 сю: ил.

. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.-М.: Мир, 1982.-512 с., ил.

. Алексенко А.Г. Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1990.- 496 с.: ил.

. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Пер. с англ.- 4-е изд. Перераб. и доп.- М.: Мир,1993.- ил.