4.7. Полупроводниковые диоды
Комбинация двух полупроводниковых
слоев с разным типом проводимости (р — дырочной и n — электронной) обладает
выпрямляющими свойствами: она гораздо лучше пропускает ток в одном направлении,
чем в другом. Полярность напряжения, соответствующая большим токам, называется
прямой, а меньшим — обратной. Обычно пользуются терминами прямое и обратное
напряжение, прямой и обратный ток. Поверхность, по которой контактируют р- и
га-слои,, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область
объемных зарядов — электронно-дырочным переходом.
Электронно-дырочные переходы
классифицируют по резкости металлургической границы и соотношению удельных сопротивлений
слоев.
Ступенчатыми переходами
(коэффициент плавности перехода т=0,5, в EWB 5.0 имеет обозначение М) называют
переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся дырки, а по
другую — электроны. Такие переходы наиболее просты для анализа и поэтому все
реальные переходы стараются, если это возможно, рассматривать как ступенчатые.
Плавными переходами (т=0,333)
называют такие, у которых в области металлургической границы концентрация одного
типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа — растет. Сама металлургическая
граница в этом случае соответствует равенству концентраций примесей. Все реальные
р-п-переходы — плавные, степень их приближения к ступенчатым зависит от градиента
эффективной концентрации в районе металлургической границы.
По соотношению концентраций
примесей в р- и п-слоях переходы делятся на симметричные, несимметричные и односторонние.
Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники. Основное распространение
имеют несимметричные переходы, у которых концентрации не одинаковы. В случае
резкой асимметрии, когда концентрации примесей (а значит, и основных носителей)
различаются на один-два порядка и более, переходы называют односторонними.
Вольтамперная характеристика
р-п-перехода описывается выражением [12]: 
(4.7)
где I — ток через переход
при напряжении U, I„ — обратный ток, Ui — температурный потенциал перехода,
равный при комнатной температуре 26 мВ.
Если к переходу подключить
обратное напряжение, то при определенном его значении переход пробивается. Различают
три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением
напряженности электрического поля в переходе, а третий — с увеличением рассеиваемой
мощности и, соответственно, температуры.
В основе туннельного пробоя
лежит туннельный эффект, т.е. "просачивание" электронов сквозь тонкий
потенциальный барьер перехода. В основе лавинного пробоя лежит "размножение"
носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон
и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну
из ковалентных связей полупроводника. В результате рождается новая пара электрон—дырка
и процесс повторяется уже с участием новых носителей. При достаточно большой
напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более
одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер, подобно самостоятельному
разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением.
Явление пробоя находят практическое применение в стабилитронах — приборах, предназначенных
для стабилизации напряжения.
В основе теплового пробоя
лежит саморазогрев перехода при протекании обратного тока. С ростом температуры
обратные токи резко возрастают, соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая
в переходе; это вызывает дополнительный рост температуры и т.д. Как правило,
тепловой пробой не имеет самостоятельного значения: он может начаться лишь тогда,
когда обратный ток уже приобрел достаточно большую величину в результате лавинного
или туннельного пробоя.
Ранее (в разд. 4.4) мы
уже говорили о барьерной емкости. Ее принято разделять на две составляющие:
барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную
емкость, отражающую перераспределение носителей в базе. Такое разделение в общем
условно, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно
при изменении полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении главную
роль играют избыточные заряды в базе и, соответственно, диффузионная емкость.
При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет
барьерная емкость. Обе емкости нелинейны: диффузионная емкость зависит от прямого
тока, а барьерная — от обратного напряжения. 
Набор задаваемых параметров
для диодов в EWB 5.0 заметно больше по сравнению с EWB 4.1. Диалоговое окно
для задания параметров диодов в EWB 5.0 состоит из двух одинаковых по внешнему
виду закладок (первая из них показана на рис. 4.49), с помощью которых можно
дополнительно (по сравнению с окном на рис. 4.38) задать следующие параметры:
N — коэффициент инжекции;
EG — ширина запрещенной
зоны, эВ;
FC — коэффициент нелинейности
барьерной емкости прямо смещенного перехода;
BV —напряжение пробоя (положительная
величина, в EWB 4.1 она принята отрицательной),
В; для стабилитронов вместо
этого параметра используется параметр VZT — напряжение стабилизации;
IBV — начальный ток пробоя
при напряжении BV (положительная величина), А;
для стабилитронов вместо
этого параметра используется параметр IZT — начальный ток стабилизации;
XTI — температурный коэффициент
тока насыщения;
KF — коэффициент фликкер-шума;
AF — показатель степени
в формуле для фликкер-шума;
TNOM — температура диода,
"С.
Эквивалентные схемы диода
показаны на рис. 4.50, а, б, на которых обозначено: А — анод, К — катод, I —
источник тока, Rs — объемное сопротивление, С — емкость перехода, G„„n — проводимость,
обусловленная утечками (в EWB 5.0 задается в диалоговом окне на рис. 1.17).
Вольтамперная характеристика диода определяется следующими выражениями [67]:
для прямой ветви
Здесь Io=I. — обратный
ток диода при температуре TNOM; N — коэффициент инжекции; BV, IBV — напряжение
и ток пробоя; Ui — температурный потенциал перехода; U — напряжение на диоде.
При расчете переходных
процессов используется эквивалентная схема диода на рис. 4.50, б, для которой
емкость перехода определяется с помощью выражений [67]: 
В приведенных формулах
т — время переноса заряда; CJO — барьерная емкость при нулевом смещении на переходе;
VJ — контактная разность
потенциалов;
т=0,33… 0,5 — параметр
перехода.
При малых уровнях сигналов
используется линеаризованная эквивалентная схема (рис. 4.50, в), на которой
проводимость G=dI/dU=I,,exp(U/(N-Ut))/(N-Ut). При этом емкость перехода определяется
формулами [67]: 
Исследование прямой ветви
ВАХ диодов может быть проведено с помощью схемы на рис. 4.50, г. Она состоит
из источника тока I, амперметра А (можно обойтись и без него, поскольку регистрируемый
ток точно равен задаваемому), исследуемого диода VD и вольтметра V для измерения
напряжения на диоде.
Для исследования обратной
ветви ВАХ диода используется схема на рис. 4.51. В ней вместо источника тока
используется источник напряжения Ui с защитным резистором Rz для ограничения
тока через диод в случае его пробоя. 
Кроме одиночных диодов,
в библиотеке EWB имеется также диодный мостик, для которого можно дополнительно
задать коэффициент эмиссии N (Emission Coefficient).
Светодиод — специально
сконструированный диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового
излучения из области перехода сквозь прозрачное окно в корпусе.
При прохождении через диод
тока в прилегающих к переходу областях полупроводника происходит интенсивная
рекомбинация носителей зарядов — электронов и дырок. Часть освобождающейся энергии
выделяется в виде квантов света. В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника
излучение может иметь длину волны либо в области видимого глазом света, либо
невидимого инфракрасного излучения. Излучение переходов на основе арсенида галлия
имеет длину волны около 0,8 мкм. Переходы из карбида кремния или фосфида галлия
излучают видимый свет в диапазоне от красного до голубого цвета. Важнейшими
параметрами светодиода являются яркость, измеряемая в нитах при определенном
значении прямого тока, и цвет свечения (или спектральный состав излучения).
Для светодиода дополнительно
указывается минимальный ток в прямом направлении Turn-on current (Ion), при
превышении которого светодиод зажигается. Для измерения ВАХ светодиодов можно
использовать приведенные выше схемы.
Переключающие диоды ср—п—р—п-
или п—р—п—р-структурами — это ти-ристоры. Тиристоры, имеющие выводы от крайних
электродов, называют динисто-рами, а приборы с третьим выводом (от одного из
средних электродов) — тринисторами. Кроме того, к классу тиристоров относятся
симметричные динисто-ры (диаки), симметричные тринисторы (триаки) и достаточно
редкий тип динисто-ра — диод Шокли, в котором структура р—п—р—п организована
за счет наличия в р—тг-переходе ловушек, формируемых путем легирования. На рис.
4.52 приведены обозначения
переключающих диодов, модели которых имеются в программе EWB 4.1: (слева направо)
диод Шокли, симметричный динистор (диак), тринистор и симметричный тринистор
(триак).
Рис. 4.52. Переключающие
диоды
Для переключательных диодов
можно задать значения следующих параметров (для EWB 5.0 их обозначения указываются
в квадратных скобках):
Saturation current Is [IS],
A — обратный ток динистора;
Peak Off-state Current
Idrm [IDRM], A — то же, но для тринистора;
Switching voltage Vs [VS],
В — напряжение, при котором динистор переключается в открытое состояние;
Forward Breakover voltage
Vdrm [VDRM], В — то же, но для тринистора при нулевом напряжении на управляющем
электроде;
Peak On-State Voltage Vtm
[VTM], В — падение напряжения в открытом состоянии;
Forward Current at wich
Vtm is measured Itm [ITM], A — ток в открытом состоянии;
Turn-off time Tg [TG],
с — время переключения в закрытое состояние;
Holding current Ih [IH],
A — минимальный ток в открытом состоянии (если он меньше установленного, то
прибор переходит в закрытое состояние);
Critical rate of off-state
voltage rise dv/dt [DV/DT], В/мкс — допустимая скорость изменения напряжения
на аноде тринистора, при котором он продолжает оставаться в закрытом состоянии
(при большей скорости тринистор открывается);
Zero-bias junction capacitance
Cj [CJO], Ф — барьерная емкость динистора при нулевом напряжении на переходе;
Gate Trigger voltage Vgt
[VGT], В — напряжение на управляющем электроде открытого тринистора;
Gate Trigger current Igt
[IGT], A — ток управляющего электрода;
Voltage at which Igt is
measured Vd [VD], В — отпирающее напряжение на управляющем электроде.
Перечисленные параметры
можно задать с помощью диалоговых окон, аналогичных приведенному на рис. 4.53
для тринистора.
Исследование прямой ветви
ВАХ тринистора можно проводить с использованием схемы на рис. 4.54, на котором
показаны источники входного напряжения Ui и напряжения управления Uy с защитными
резисторами Rzt, Rzy. Измерение ВАХ проводится при изменении Ui от нуля до Udrm
+50 В при фиксированном значении Uy, например, в трех точках 0,5Vd, Vd и l,5Vd.
При исследовании обратной ветви ВАХ меняется только полярность Ui.
Следует отметить, что снятие
ВАХ переключательных диодов может быть осуществлено также и в режиме заданных
токов в силовой и управляющей цепи, т.е. с помощью схем, аналогичных приведенным
на рис. 4.50 и 4.51. 
Рис. 4.54. Схема для исследования
тиристоров
Контрольные вопросы и задания
Вопросы составлены с учетом
сведений, приведенных в Приложении 2.
1. Используя схему на рис.
4.50, исследуйте прямую ветвь ВАХ диода и стабилитрона и сравните эти данные
с результатами расчетов по формуле (4.7).
2. Используя схему на рис.
4.51, исследуйте обратную ветвь ВАХ приборов из п. 1 и сравните полученные результаты
с результатами расчетов по формуле (4.7).
3. Используя схемы на рис.
4.50 и 4.51, исследуйте ВАХ диода Шокли и симметричного динистора(диака).
4. Исследуйте ВАХ тринистора
с использованием схемы на рис. 4.54. Составьте схему для исследования обратной
ветви ВАХ.
5. Составьте схему для
исследования ВАХ тринистора с использованием источников тока и сравните полученные
результаты с результатами по п. 4.
6. Как устроен полупроводниковый
диод?
7. Какие типы р—п-переходов
Вы знаете?
8. Какой формулой описывается
вольтамперная характеристика р—п-перехода?
9. Назовите типы пробоев
р—л-перехода и дайте их краткую характеристику.
10. Перечислите составляющие
емкости р—га-перехода.
11. Назовите и кратко охарактеризуйте
типы полупроводниковых диодов.
12. Назовите типы и особенности
переключательных диодов.
|
