Исследование вольтамперных характеристик выпрямительных диодов, диодов шоттки, светодиодов и стабилитронов (стр. 4 )

При обратных напряжениях (U < 0, положительный потенциал на полупроводнике) энергетические уровни в удаленной от границы «металл –полупроводник» области сдвинутся вниз на величину e|U| (рис. 8, б), высота потенциального барьера для электронов со стороны полупроводника увеличится, а со стороны металла снова останется неизменной. Вследствие этого поток электронов jП со стороны полупроводника уменьшится и при увеличении обратного напряжения |U| будет стремиться к нулю. Поэтому через барьер будут проходить только электроны из металла в полупроводник. При этом ширина запорного слоя LП увеличится.

e(jK –U)

а б

Рис. 8. Энергетическая диаграмма при прямом (а)

и обратном (б) смещении диода Шоттки

Процесс протекания тока через выпрямляющий контакт существенно зависит от того, испытывают ли электроны соударения при прохождении через запорный слой или нет. Первый случай реализуется тогда, когда толщина запорного слоя LП больше длины свободного пробега l электрона, а второй – при обратном соотношении. В соответствии с этим существует две теории выпрямления: диффузионная – для толстого перехода (LП >> l ) и диодная – для тонкого перехода (LП << l ). На рис. 9 показаны ВАХ, полученные согласно диодной (кривая 1) и диффузионной (кривая 2) теории.

В обоих случаях ВАХ диода Шоттки описывается выражением:

,

однако ток насыщения IS определяется разными выражениями в диодной и диффузионной теории.

При прямом напряжении (U > 0) ток через диод Шоттки определяется экспоненциальным членом (единицей можно пренебречь): . При обратном смещении (U < 0) экспоненциальный член становится мал по сравнению с единицей, и при больших значениях напряжения в случае толстого перехода ток растет пропорционально , а в случае тонкого – достигает насыщения.

Рис. 9. Вольтамперная характеристика диода Шоттки

в случае тонкого (1) и толстого (2) запорного слоя

Для большинства реальных контактов «металл – полупроводник» идеальная ситуация, рассмотренная выше, никогда не достигается. Это связано с тем, что поверхность полупроводника может содержать тонкий диэлектрический слой окисла, молекулы воды, ионы различных веществ, а также другие органические и неорганические загрязнители. По этой причине ВАХ реальных полупроводниковых приборов на основе контакта «металл – полупроводник» (диодов Шоттки) может не совпадать с теоретической.

Вид уравнения ВАХ диода Шоттки по форме аналогично уравнению ВАХ диода на основе p-n-перехода, однако напряжение отсечки у диода Шоттки, как правило, меньше, чем у диодов на основе p-n-перехода, и составляет около 0.4 В. Другое существенное отличие диода Шоттки от диода на основе p‑n‑перехода заключается в том, что в нем не происходит накопление неосновных носителей заряда, в связи с чем переключение диода Шоттки из открытого в закрытое состояние и обратно происходит гораздо быстрее, чем в случае p‑n‑перехода. Благодаря этому свойству диоды Шоттки широко используются в СВЧ электронике и для повышения быстродействия логических схем.

В случае контакта «металл – сильно легированный полупроводник» толщина запорного слоя настолько уменьшается, что оказывается возможным туннелирование электронов сквозь потенциальный барьер. Этот эффект используется для создания невыпрямляющих (омических) контактов к областям полупроводниковых приборов на основе p-n-перехода.

4 СТАБИЛИТРОНЫ (ОПОРНЫЕ ДИОДЫ)

Стабилитронами называются полупроводниковые диоды, на обратной ветви вольтамперной характеристике которых имеется участок со слабой зависимостью напряжения от величины протекающего тока, обусловленный электрическим пробоем p-n-перехода (рис. 10).

Серийно выпускаемые стабилитроны подразделяются на стабилитроны общего назначения и прецизионные. Стабилитроны общего назначения используются в стабилизаторах и ограничителях постоянного или импульсного напряжения. Кроме того, они применяются в качестве элементов межкаскадной связи в усилителях, а также как выпрямители, управляемые емкости, шумовые генераторы. Прецизионные стабилитроны используются в качестве источников эталонного напряжения или опорных элементов в различных схемах, где необходима высокая точность стабилизации напряжения.

 

а б

Рис. 10. Обратная ветвь ВАХ стабилитрона (а) и простейший стабилизатор

напряжения на стабилитроне (б)

В основе работы стабилитронов лежит явление электрического пробоя обратносмещенного p-n-перехода. Существует два типа такого пробоя – лавинный и туннельный.

Рассмотрим механизм лавинного пробоя. Он реализуется в стабилитронах с невысокой степенью легирования p- и n-областей. При обратном смещении p‑n-перехода через него протекает небольшой ток неосновных носителей заряда. Электроны под действием приложенного электрического поля движутся равноускоренно между соударениями с атомами решетки, набирая кинетическую энергию. При сравнительно малых обратных напряжениях их энергия к моменту очередного соударения с атомом недостаточна для его ионизации (отрыва электрона). Но если обратное напряжение увеличить до некоторого значения Uпр, неосновные электроны способны выбить связанный с атомом электрон. В результате концентрация свободных электронов начинает расти лавинообразно, что приводит к резкому возрастанию обратного тока, т. е. к лавинному пробою.

Если повысить температуру стабилитрона, то амплитуда колебаний атомов в кристаллической решетке и вероятность столкновения электронов с ними увеличатся, а длина свободного пробега снизится. Это означает, что к моменту очередного соударения электрона с атомом, энергия первого окажется недостаточно для ионизации атома (электрон не успевает набрать нужную энергию на более короткой длине свободного пробега). Так что с ростом температуры стабилитрона лавинный пробой прекращается. Чтобы его восстановить, требуется увеличить напряженность электрического поля, т. е. увеличить обратное напряжение. Таким образом, с ростом температуры стабилитрона напряжение лавинного пробоя возрастает, или, как принято говорить, стабилитрон имеет положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН).

Теперь рассмотрим механизм туннельного пробоя. Туннельный пробой реализуется в стабилитронах, p- и n-области которого легированы достаточно сильно. Как известно, с ростом степени легирования областей p-n-перехода его толщина и толщина потенциального барьера уменьшаются. Связанные электроны в p-области отделены от разрешенных энергетических уровней зоны проводимости n-области потенциальным барьером с высотой, равной ширине запрещенной зоны. Поскольку электроны, как и все частицы, обладают волновыми свойствами, существует отличная от нуля вероятность найти электрон по другую сторону барьера, если его толщина сравнима или меньше длины волны де Бройля. Другими словами, электрон может без изменения своей энергии пройти сквозь потенциальный барьер (туннелировать), если толщина его достаточно мала. Туннелирование электронов – квантомеханический эффект, который не может быть описан в рамках классической физики. Важно отметить, что вероятность туннелирования электрона возрастает не только с уменьшением толщины барьера, но и с уменьшением его высоты.

Таким образом, с ростом обратного напряжения толщина потенциального барьера может уменьшиться настолько, что электроны, находящиеся в валентной зоне p-области, смогут туннелировать в зону проводимости n-области и обеспечивать резкое возрастание обратного тока через обратносмещенный p‑n‑переход.

Известно, что с увеличением температуры ширина запрещенной зоны полупроводников понижается. Поэтому при более высоких температурах высота потенциального барьера, равная ширине запрещенной зоны, становится меньше, что приводит к возрастанию вероятности туннелирования электронов. Это означает, что в случае туннельного пробоя напряжение пробоя с ростом температуры стабилитрона уменьшается (отрицательный ТКН), а не возрастает, как это имеет место при лавинном пробое. Таким образом, по знаку ТКН можно судить о механизме электрического пробоя в нем.

Стабилитроны находят широкое использование в различных схемах как основной элемент стабилизатора напряжения. Для надежной работы той или иной электронной схемы важно, чтобы питающие ее напряжения оставались в пределах допустимых значений при колебаниях напряжений источника питания. Существует много различных схем стабилизаторов напряжения на основе стабилитрона. Рассмотрим принцип работы самой простой схемы стабилизатора (рис. 10, б). При проектировании такой схемы стабилизатора важно правильно выбрать напряжение источника питания E и сопротивление ограничительного резистора Rогр, чтобы рабочая точка находилась на участке пробоя стабилитрона (рис. 10, а). Если это условие выполнено, то при наличии колебаний напряжения источника питания с амплитудой DЕ амплитуда колебаний напряжения DU на стабилитроне и подключенной параллельно ему нагрузке (например, радиоприемник, усилитель или другое электронное устройство) оказываются существенно меньше DЕ, что хорошо видно из сравнения DЕ и DU на рис. 10, а.