Электротехника и электроника (стр. 5 )

Емкость перехода зависит от значения и полярности приложенного напряжения. Варикапы работают при обратном смещении p-n перехода. При обратном напряжении на переходе емкость называется барьерной и определяется по формуле:

       ,

где ψк – контактная разность потенциалов, U – обратное напряжение на переходе, Сбар(0) – значение барьерной емкости при U = 0, которое зависит от площади p-n перехода и свойств полупроводникового кристалла. Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения представлена на рисунке 4.

Туннельным называется полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельный эффект заключается в том, что электрон, находящийся на определенном энергетическом уровне, не изменяя своей энергии, может проникнуть через тонкий запорный слой, если по другую сторону перехода на таком же энергетическом уровне имеется вакансия. Но для этого запорный слой должен быть достаточно узок, что может быть достигнуто путем высокой концентрации примесей (1019…1020 см-3).

Рисунок 4. Условное графическое обозначение и вольт-фарадная характеристика варикапа

У таких полупроводников помимо очень узкого запорного слоя происходит еще очень резкое и глубокое смещение одной части энергетической диаграммы по отношению к другой. Это является следствием того, что высокая концентрация примесей вызывает смещение уровня Ферми настолько, что он оказывается расположенным у электронного полупроводника в зоне проводимости, а у дырочного – в валентной зоне (рисунок 5, а). Такие полупроводники получили название вырожденных.

У высоколегированных полупроводников с различным типом электропроводимости в одном кристалле имеется очень узкий р-n переход шириной примерно 0,01 мкм. При этом в случае вырожденных полупроводников нижняя граница зоны проводимости n-области становится ниже верхней границы валентной зоны р-области (рисунок 5, а).

В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из n-области в р-область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю (рисунок 5, а).

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера р-n перехода или смещение энергетической диаграммы n-области относительно энергетической диаграммы р-области, свободные энергетические уровни р-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при одних и тех же значениях с энергетическими уровнями n-области, занятыми электронами (рисунок 5, б). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из n-области в р-область.

Рисунок 5. Вольт-амперная характеристика, энергетические диаграммы и условное графическое обозначение туннельного диода

При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон р-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны n-области, туннельный ток через диод будет максимальным (рисунок 5, в).

При дальнейшем увеличении прямого напряжения на диоде туннельный ток через диод будет уменьшаться, так как из-за смещения энергетических диаграмм будет уменьшаться количество электронов, способных туннелировать из n-области в р-область (рисунок 5, г).

Туннельный ток через диод окажется равным нулю при некотором еще большем прямом напряжении, когда из-за относительного смещения энергетических диаграмм n - и р-областей для свободных электронов n-области не будет свободных энергетических уровней в р-области (рисунок 5, д). Однако при этом через диод будет проходить прямой ток, обусловленный переходом носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер p-n перехода, то есть ток, связанный с инжекцией.

С дальнейшим увеличением прямого напряжения в связи с уменьшением высоты потенциального барьера, прямой ток через туннельный диод будет возрастать, как в обычных диодах (рисунок 5, е).

При обратном напряжении на туннельном диоде опять возникают условия для туннелирования электронов (рисунок 5, ж). Только теперь электроны туннелируют из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области. Возникающий при этом обратный ток будет расти с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению. Туннельный диод обладает относительно высокой проводимостью при обратном напряжении. Можно считать, что у туннельного диода при ничтожно малых обратных напряжениях происходит туннельный пробой.

Таким образом, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений. Это и является самым интересным свойством туннельного диода, который может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.

1.6.2 Статические вольтамперные характеристики диода и его параметры

Вольт-амперная характеристика диода (сплошная линия) несколько отличается от вольт-амперной характеристики p-n перехода (рисунок 6), что объясняется следующими причинами.

В реальном диоде сопротивления эмиттера (rэ) и базы (rб) отличаются от нуля, поэтому при протекании тока (I) на них падает часть приложенного к диоду напряжения, равная

.

В итоге непосредственно к p-n переходу прикладывается напряжение

.

В этом случае для получения одинаковых токов к диоду необходимо приложить большее напряжение, чем к p-n переходу.

В области обратных напряжений у диода наблюдается некоторое увеличение тока с ростом модуля напряжения. Одной из причин этого увеличения является возникновение тока утечки по внешней поверхности p-n структуры. При достижении обратным напряжением значения Uпроб в p-n переходе возникает пробой.

Свойства и взаимозаменяемость диодов оценивают по их параметрам. К основным параметрам относят токи и напряжения, связанные с вольтамперной характеристикой.

Диоды применяют в цепях как переменного, так и постоянного тока. Поэтому для оценки свойств диодов наряду с параметрами на постоянном токе пользуются дифференциальными параметрами, характеризующими их работу на переменном токе.

Выпрямленный (прямой) ток Iпр – ток, проходящий через диод, при котором обеспечивается его надежная и длительная работа. Сила этого тока ограничивается разогревом, или максимальной мощностью Рмакс. Превышение прямого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.

Прямое падение напряжения Uпр. ср – среднее значение за период на диоде при прохождении через него допустимого прямого тока.

Допустимое обратное напряжение Uобр – среднее значение за период на диоде при прохождении через него допустимого обратного тока.

Обратный ток Iобр – среднее значение за период обратного тока при допустимом Uобр. Чем меньше обратный ток, тем лучше выпрямительные свойства диода.

Максимальная постоянная, или средняя за период мощность Рмакс, рассеиваемая диодом, при которой диод может длительно работать, не изменяя своих параметров. Эта мощность складывается из суммы произведений токов и напряжений при прямом и обратном смещениях перехода, то есть за положительный и отрицательный полупериоды переменного тока.

Для приборов большой мощности, работающих с хорошим теплоотводом,

,

где Тп. макс – температура перехода, Тк – температура корпуса, Rпк – тепловое сопротивление между переходом и корпусом.

Для приборов малой мощности, работающих без теплоотвода,

,

где Тс – температура окружающей среды, Rпс – тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой.

Максимально допустимое обратное напряжение Uобр. макс – максимальное обратное напряжение, которое кратковременно может быть приложено к диоду без вывода его из строя.

Максимально допустимый прямой ток Iпр. макс – максимальный ток, который может кратковременно протекать через диод без вывода его из строя.

Дифференциальное сопротивление переменному току rдиф – сопротивление, определяющее изменение тока, протекающего через диод при изменении напряжения вблизи выбранной рабочей точки,

.

Статическое сопротивление диода постоянному току (прямое и обратное) – сопротивления по постоянному току соответственно

, .

Частотные свойства полупроводниковых диодов, в первую очередь, зависят от шунтирующей p-n переход емкости. Она складывается из барьерной емкости, обусловленной наличием в обедненном слое некомпенсированного основными носителями заряда ионов примесного вещества, и диффузионной емкости, связанной с инерцией заряда неосновных носителей в объеме полупроводниковой пластины. По мере повышения частоты приложенного к диоду переменного напряжения, выпрямительные свойства диода ухудшаются.

Время восстановления tвост – интервал времени, отсчитываемый от момента переключения напряжения с прямого на обратное, по истечении которого обратный ток уменьшается до определенного значения.

Выводы:

1. В полупроводнике с донорной и акцепторной примесью основными носителями являются соответственно электроны и дырки.