Полупроводниковые нелинейные элементы: полупроводниковые диоды Учреждение образования БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Кафедра электронной техники и технологии на тему «ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ» МИНСК, 2008 Диоды - полупроводниковые приборы, которые пропускают ток в одном направлении, а в обратном имеют большое сопротивление. Рис. 1. Принцип работы р-n перехода: а) диффузионный и дрейфовый токи через переход; б) графики распределения концентраций носителей заряда в p и n областях (Nnn, Npp - концентрации основных носителей, Nnp, Npn - концентрации неосновных носителей); в) диаграммы потенциала p и n областей. С увеличением температуры растёт концентрация неосновных носителей заряда и уменьшается высота потенциального барьера. При UAK = 0 существует баланс диффузионной и дрейфовой составляющих токов через переход iдиф = iдр = IS (T) Iпр = Iобр I  = Iпр - Iобр = 0 При прямом смещении р-n - перехода UAK > 0 появляется прямой ток, определяемый основной диффузионной составляющей Iпр = iдиф – iдр >0 При UAK < 0 появляется обратный ток, определяемый дрейфовой состовляющей Iобр = iдр - iдиф > 0. Т.к. p-n - переход при обратном смещении закрывается из-за увеличения ширины ОПЗ и iдиф → 0 , то Iобр = iдр = IS (T). Поскольку диффузионная составляющая тока через p-n - переход хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией вида iдиф = IS (T)eUAK/mUT , а дрейфовая составляющая описывается как iдр = IS (T) , то исходя из того, что при UAK > 0 Iпр = iдиф – iдр = IS (T)eUAK/mUT - IS (T) получим выражение Iпр = IS (T)(eUAK/mUT - 1), описывающее прямую ветвь ВАХ диода (рис. 2) Рис. 2. ВАХ кремниевого диода (штриховой линией показана смещённая ВАХ при увеличении температуры p - n перехода) Здесь IS (T) - тепловой ток, определяющий масштаб ВАХ диода. Термин "тепловой" отражает сильную температурную зависимость тока IS (T) , а также тот факт, что он равен нулю при абсолютном нуле температуры. Другим распространённым термином является "обратный ток насыщения", происхождение которого связано с тем, что при отрицательном напряжении >> mUT обратный ток диода равен - IS (T) и не зависит от UAK . Обычно для германиевых диодов IS 1 - 0.1 мкА, а для кремниевых IS 1 - 0.1 пА. mUT - тепловая разность потенциалов, возникающая в области p-n-перехода при нулевом внешнем напряжении и равновесии дифузионного и дрейфового токов, где ; m = 10.30 - поправочный коэффициент. Обычно для расчётов равновесного p-n–перехода тепловую разность потенциалов принимают равной mUT = 300 мВ для Ge-диодов и 600 мв для Si-диодов. IS (T) и UT зависят от Т, что приводит, в общем, к отрицательной температурной зависимости прямого напряжения на диоде UAK от температуры. Температурный коэффициент прямого напряжения на переходе имеет отрицательное значение: Iпр = I О (e(UAK - aD T)/mUT - 1) . Смысл последнего выражения заключается в том, что для того, чтобыопределить значение Iпр при увеличении Т , но при этом не вычисляя новое значение IS ( T) , которое также должно увеличится, необходимо значение UAK с учетом отрицательного температурного коэффициента a увеличить на 2 мВ на каждый градус К . Это будет удобно для дальнейших расчетов Iпр , когда при условно принятом IS ( T) =const его значение IS ( T) можно будет сократить в относительных формулах. Выпрямительные свойства диодов показаны на рис. 3, отображающем элементарную схему однополупериодного выпрямителя переменного напряжения. Рис. 3. Выпрямление диодом переменного напряжения Если на анод диода подать переменное напряжение Uвх с амплитудой Um , тона резисторе нагрузки RН будет выделяться выходное напряжение Uвых , соответствующее только одному полупериоду Uвх . Амплитуда положительного полупериода будет равна Um , а амплитуда отрицательного полупериода будет зависить от Iобр . Динамический режим работы диодов характеризуются его переключающими свойствами. Переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, т.к. при этом p-n-переход должен освободиться от инжектированных неосновных носителей ( в p-области - от электронов, и в n-области - от дырок), которые должны рекомбинировать в области объемного заряда и тем самым восстановить потенциальный барьер . Для этого нужно определенное время - время «рассасывания», которое тем больше, чем больше был прямой ток. Для маломощных диодов , для мощных диодов эта величина находится в диапозоне микросекунд (5-7 мкс). Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шоттки с переходом металл-полупроводник. Диод Шотки. Принцип действия диода Шотки основан на работе барьерного перехода, возникающего в зоне контакта металл-полупроводник. Свойства этого контакта зависят от отношения работ выхода электрона в металле и полупроводнике. Если Авых Ме > Aвых п/п , то в зоне контакта возникает выпрямляющий переход (рис. 5). В этом случае избыток электронов будет в полупроводнике и они, перемещаясь за счёт диффузии в приконтактную область металла, создают обеднённую область в полупроводнике, которая и обладает выпрямляющими свойствами. Если Авых Ме < Aвых п/п , то контакт металл-полупроводник получается не выпрямляющим и он применяется специально для улучшения контакта металла с полупроводником в качестве контактной площадки в ИС. Рис. 4. Работа диода в импульсном режиме Рис. 5. Контакт Ме - п/п с выпрямляющими и невыпрямляющими свойствами Улучшение динамических свойств диода Шоттки объясняется тем, что в обоих областях по разные стороны выпрямляющего контакта Ме-п/п присутствуют основные носители заряда одного типа - электроны и так как инжекции дырок в полупроводник не происходит в прямом направлении, то нечему рассасываться в момент закрытия барьерного перехода, что происходит практически мгновенно (0,1 нс и менее Fраб = 3-15 ГГц). Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, обладающие большой крутизной обратной ветви ВАХ (рис. 6) в области напряжения лавинного пробоя Uпроб . Рис. 6. Принцип стабилизации напряжения с помощьюполупроводникового стабилитрона При ограниченном токе пробоя у такого диода наступает эффект стабилизации напряжения, который основан на том, что большое изменение тока DI , протекающего через него, вызывает малое изменение напряжения на нем DU . Стабилизация тем лучше, чем круче идет обратная ветвь ВАХ и, соответственно, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона Стабилизирующие свойства параметрического стабилизатора на стабилитроне характеризуется коэффициентом стабилизации: Чтобы не произошёл необратимый тепловой пробой стабилитрона, его ток Iст ограничивают с помощью ограничительного резистора Rогр : , Стабисторы - те же стабилитроны, но используют прямую ветвь ВАХ для стабилизации малых напряжений (Uст ≈ 0,6 В). Варикапы - полупроводниковые диоды, используемые в качестве конденсаторов, с управляемой по напряжению ёмкостью. Емкость p-n-перехода диода с увеличением обратного напряжения уменьшается за счет расширения области пространственного заряда p-n-перехода (рис. 7). При UAK = 0 на Si-диоде ширина p-n-перехода равна l0 = 0,6 мкм, на Ge - 0,4 мкм. При увеличении обратного напряжения UAК увеличивается l0 , а, следовательно, уменьшается С . Рис. 7. Вольт-фарадные характеристики для различных варикапов Максимальная емкость варикапа в зависимости от его типа составляет 5-300 пФ. Отношение минимальной и максимальной емкостей обычно равно 1:5. Варикапы используются для построения колебательных контуров с управляемой напряжением резонансной частотой в области СВЧ (рис. 8). Рис. 8. Колебательный контур на варикапе Туннельные диоды отличаются от обычных диодов тем, что могут усиливать сигналы подобно транзисторам. Это объясняется наличием участка с отрицательным сопротивлением на их вольт-амперной характеристике (рис. 9). Отличительной особенностью туннельного диода являются очень малые удельные сопротивления p - и n-слоев и, соответственно, очень малая ширина перехода - 0,01 ... 0,02 мкм. Концентрация примесей в слоях достигает 1019 см - 3 и больше. В этом случае полупроводник вырождается, превращаясь в полуметалл. Уровни примесных атомов сливаются в зоны, а те в свою очередь сливаются с соответствующими основными зонами слоев. В результате уровни Ферми, как и в металле располагаются не в запрещенных зонах p - и n-слоев, а в разрешенных зонах: в валентной зоне p-слоя и в зоне проводимости n-слоя. При этом энергетическая диаграмма симметричного перехода в равновесном состоянии будет примерно такой, как показано на рис. 11а . Как видим, нижняя часть зоны проводимости в n-слое и верхняя часть валентной зоны в p-слое оказались разделенными весьма узким запорным слоем, что позволяет переходить носителям в смежный слой сквозь переход, т.е. не преодолевая потенциальный барьер. Это явление обусловлено туннельным эффектом, откуда и происходит название диодов. Рис. 9. Статическая характеристика туннельного диода. В равновесном состоянии потоки электронов из зоны проводимости n-слоя и валентной зоны p-слоя уравновешиваются и ток через переход отсутствует (рис. 10а ). Приложим к диоду внешнее напряжение обратной полярности (т.е. плюсом к n-слою). Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 10б ). Т.к. количество электронов с энергией, превышающей уровень Ферми, невелико, то поток электронов из p-слоя в n-слой увеличится, а обратный ток останется почти неизменным. Следрвательно, результирующий ток будет протекать в направлении от n-слоя к p-слою. Этот ток быстро возрастает с увеличением обратного напряжения, поскольку плотность электронов в глубине валентной зоны огромна и малейшее приращение разности jFp - jFn сопровождается существенным изменением потока электронов из p-слоя в n-слой. Теперь приложим к диоду небольшое прямое напряжение. Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 10в ). Легко заметить, что поток электронов из p-слоя в n-слой сильно убывает, а обратный поток меняется сравнительно слабо. Следовательно, результирующий ток протекает в направлении от p-слоя к n-слою и при небольших прямых напряжениях возрастает с увеличением напряжения (рис 9). Граница этого участка приблизительно соответствует диаграмме на рис. 10в ), на которой уровень Ферми jFn совпадает с потолком валентной зоны p-слоя (участок 0–1). Рис. 10. Энергетические диаграммы туннельного диода на разных участках ВАХ: а ) равновесное состояние (ток через переход отсутствует); б ) обратное включение (участок ВАХ левей точки 0); в ) прямое включение при малых прямых напряжениях (участок ВАХ между точками 0 и 1); г ) прямое включение при средних напряжениях (участок ВАХ между точками 1и 2); д ) прямое включение при больших напряжениях (участок ВАХ между точками 2 и 3 и правее) При дальнейшем увеличении прямого напряжения поток электронов из n-слоя в p-слой убывает (рис. 10г ) и, соответственно, убывает прямой ток. В результате на ВАХ получается участок с отрицательным сопротивлением (рис. 9, точки 1-2). Конец этого участка соответствует такому напряжению, при котором потолок валентной зоны в p-слое совпадает с дном зоны проводимости в n-слое. При ещё большем напряжении запрещённая зона делается “сквозной”, туннельный эффект исчезает и ток снова увеличивается, но уже за счёт обычного механизма преодоления электронами потенциального барьера (рис. 10д ). Таким образом, ВАХ туннельного диода (рис. 9.) складывается из двух частей: туннельной (левее точки 2) и диффузионной (правее точки 2). Диффузионная часть, как и в обычном диоде, обусловлена инжекцией и описывается выражением Диоды этого типа нашли применение в переключателях тока, усилителях и генераторах колебаний СВЧ-диапазона, в преобразователях частоты и других устройствах. Интересным вариантом туннельного диоба является так называемый обращённый диод , ВАХ которого показана на рис. 11. Рис. 11. Статическая характеристика обращённого диода Как видим, особенность этого диода состоит в том, что на прямой ветви отсутствует (или очень мал) максимум. В этом случае логично повернуть характерисику на 1800 (показана пунктиром) и считать прямую ветвь обратной, а обратную - прямой. При этом, обращённый диод имеет значительно меньшее прямое (т.е. на самом деле - обратное) напряжение, чем обычные диоды (оно составляет величины порядка 0,01...0,1 В в отличие от 0,4... 0,6 В для обычных диодов), что очень ценно для многих применений. Однако его обратное (т.е. на самом деле - прямое) напряжение тоже весьма мало (0,3... 0,6 В) и с этим нужно считаться при расчёте схем. Диоды этого типа применяются в детекторах и смессителях сигналов СВЧ диапазона. Литература 1. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства / Авторы: В.И.Бойко, А.Н.Гуржий, В.Я.Жуйков, А.А.Зори, В.М.Спивак / - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 496 с.: ил. 2. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства / Авторы: В.И.Бойко, А.Н.Гуржий, В.Я.Жуйков, А.А.Зори, В.М.Спивак, В.В.Багрий / - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 512 с.: ил. 3. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микроконтроллеры / Авторы: В.И.Бойко, А.Н.Гуржий, В.Я.Жуйков, А.А.Зори, В.М.Спивак, Т.А.Терещенко, Ю.С.Петергеря / - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 464 с.: ил.