Вах кремния. Вольтамперные характеристики полупроводников. ВАХ и выпрямительный диод

Диоды малой мощности не требуют дополнительного теплоотвода (тепло отводится с помощью корпуса диода)

Для диодов средней и большой мощности, которые не эффективно отводят тепло своими корпусами, требуется дополнительны теплоотвод (радиатор – кубик металла, в котором с помощью литья или фрезерования делают шипы, в результате чего возрастает поверхность теплоотвода. Материал - медь, бронза, алюминий, силумин)

2. Постоянное прямое напряжение (U пр.)

Постоянное прямое напряжение – это падение напряжения между анодом и катодом при протекании максимально допустимого прямого постоянного тока. Проявляется особенно при малом напряжении питания.

Постоянное прямое напряжение зависит от материала диодов (германий - Ge, кремний - Si)

U пр. Ge ≈ 0.3÷0.5 В (Германиевые) U пр. Si ≈ 0.5÷1 В (Кремниевые)

Германиевые диоды обозначают – ГД (1Д)

Кремниевые диоды обозначают – КД (2Д)

3. Повторяющееся импульсное обратное максимальное напряжение (U обр. max)

Электрический пробой идет по амплитудному значению (импульсу) U обр. max ≈ 0.7U Эл. пробоя (10÷100 В)

Для мощных диодов U обр. max = 1200 В.

Этот параметр иногда называют классом диода (12 класс -U обр. max = 1200 В)

4. Максимальный обратный ток диода (I max ..обр.)

Соответствует максимальному обратному напряжению (составляет единицы mA).

Для кремниевых диодов максимальный обратный ток в два раза меньше, чем для германиевых.

5. Дифференциальное (динамическое) сопротивление.

Вах-вах-вах… Обычно эти слова употребляют, рассказывая анекдоты про кавказцев))) Кавказцев прошу не обижаться – я уважаю Кавказ. Но, как говорится, из песни слов не выкинешь. Да и в нашем случае это слово имеет другой смысл. Да и не слово это даже, а аббревиатура.

ВАХ – это вольт амперная характеристика. Ну а нас в этом разделе интересует вольт амперная характеристика полупроводникового диода .

График ВАХ диода показан на рис. 6.

Рис. 6. ВАХ полупроводникового диода.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

На рис. 6 синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Что же мы видим на графике? Ну для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание))). Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода и обратное включение диода .

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. То есть если вы подключите лампочку по первой схеме на рис. 3, а напряжение батареи питания у вас будет 9 В, то на лампочку попадёт уже не 9 В, а 8,5 или даже 8 (зависит от типа диода). Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Что это значит? Если вы включите лампочку по второй схеме на рис. 3, то светиться она не будет, потому что диод в обратном направлении ток не пропускает (точнее, пропускает, как видно на графике, но этот ток настолько мал, что лампа светиться не будет). Но диод не может сдерживать напряжение бесконечно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод (см. перегиб на обратной ветви графика) и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» - это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода. В качестве электрического перехода может использоваться электронно-дырочный переход, контакт металл-полупроводник или гетеропереход.

Область полупроводникового кристалла диода, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, – базой. Сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, часто называют катодом, а другую – анодом.

По назначению диоды делятся на:

1. выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное;

2. стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющие на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока:

3. варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением;

4. импульсные, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах;

5. туннельные и обращенные, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний;

6. сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний;

7. светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию;

8. фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.

Система и перечень параметров, включаемые в технические описания и характеризующие свойства полупроводниковых диодов, выбираются с учетом их физико-технологических особенностей и области применения. В большинстве случаев важны сведения об их статических, динамических и предельных параметрах.

Статические параметры характеризуют поведение приборов при постоянном токе, динамические – их частотно-временные свойства, предельные параметры определяют область устойчивой и надежной работы.

1.5. Вольтамперная характеристика диода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода аналогична вольтамперной характеристике p-n -перехода и имеет две ветви – прямую и обратную.

ВАХ диода представлена на рисунке 5.

Если диод включен в прямом направлении ("+" – к области р , а "-" – к областиn ), то при достижении порогового напряженияU пор диод открывается и через него протекает прямой ток. При обратном включении ("-" к областир , а "+" – к областиn ) через диод протекает незначительный обратный ток, то есть фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента.

Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе.

Параметрами ВАХ являются: динамическое (дифференциальное) сопротивление диода переменному току и статическое сопротивление постоянному току.

Статическое сопротивление диода постоянному току в прямом и обратном направлении выражается соотношением:

, (2)

где U иI задают конкретные точки на ВАХ диода, в которых производится вычисление сопротивления.

Динамическое сопротивление переменному току определяет изменение тока через диод с изменением напряжения вблизи выбранной рабочей точки на характеристике диода:

. (3)

Поскольку типичная ВАХ диода имеет участки с повышенной линейностью (один на прямой ветви, один – на обратной), r д вычисляется как отношение малого приращения напряжения на диоде к малому приращению тока через него при заданном режиме:

. (4)

Чтобы вывести выражение для r д, удобнее принять в качестве аргумента токI , а напряжение считать его функцией и, логарифмируя уравнение (1), привести его к виду:

. (5)

. (6)

Отсюда следует, что с ростом прямого тока r д быстро уменьшается, так как при прямом включении диодаI >>I S .

На линейном участке ВАХ при прямом включении диода статическое сопротивление всегда больше динамического сопротивления: R ст >r д. При обратном включении диодаR ст < r д.

Таким образом, электрическое сопротивление диода в прямом направлении намного меньше, чем в обратном. Следовательно, диод обладает односторонней проводимостью и используется для выпрямления переменного тока.

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер).

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 - 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым).

При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рис. 1 показаны условное графическое обозначение (УГО) и характеристики выпрямительных диодов (их идеальная и реальная вольт-амперная характеристики). Видимый излом вольт-амперной характеристики диода (ВАХ) в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.

На вольт-амперная характеристика реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает.

Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

Рис. 1. Полупроводниковый выпрямительный диод: а – условное графическое изображение, б – идеальная вольт-амперная характеристика, в – реальная вольт-амперная характеристика

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды.

Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150 - 200 °С против 80 - 100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60 - 80 А/см2 против 20 - 40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от германиевых диодов, который относится к редкоземельным элементам).

Рис. 4. УГО и структура диода Шоттки: 1 – низкоомный исходный кристалл кремния, 2 – эпитаксиальный слой высокоомного кремния, 3 – область объемного заряда, 4 – металлический контакт

На поверхность эпитаксиального слоя наносят металлический электрод, обеспечивающий выпрямление, но не инжектирующий неосновные носители в базовую область (чаще всего золото). Благодаря этому в этих диодах нет таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. Поэтому инерционность диодов Шоттки не высока. Она определяется величиной барьерной емкости выпрямляющего контакта (1 - 20 пФ).

Кроме этого, у диодов Шоттки оказывается значительно меньшее, чем у выпрямительных диодов последовательное сопротивление, так как металлический слой имеет малое сопротивление по сравнению с любым даже сильно легированным полупроводником. Это позволяет использовать диоды Шоттки для выпрямления значительных токов (десятки ампер). Обычно их применяют в импульсных вторичных источниках питания для выпрямления высокочастотных напряжений (частотой до нескольких МГц).

Потапов Л. А.

Полупроводниковые диоды и их характеристики

Диодом называют полупроводниковый прибор, который состоит из одного - перехода и имеет два вывода: анод и катод. Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в- переходе.

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Д ля них основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. Они рассчитываются на значительные токи и имеют большую площадь- перехода. В реальных диодах, как правило, используются несимметричные - переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), обычно , бывает достаточно низкоомной, а другая - высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении перехода практически полностью определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении - перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области (как отмечено выше) ширина - перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то - переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.

Вольт-амперные характеристики реальных диодов и - переходов близки друг к другу, но не одинаковы (рисунок 1.6). Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в - переходе не учитывают ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением , приводит к дополнительному падению напряжения , в результате прямая ветвь диода проходит положе, чем впереходе. Обратная ветвь ВАХ диода проходит ниже, чем у идеальногоперехода, т.к. к току насыщения добавляется ток утечки по поверхности кристалла .

Рисунок 1.6 - Условное обозначение диода (а);

вольт-амперные характеристики (в):

1 - идеального- перехода, 2 – реального диода

Диоды могут производиться на основе германия или кремния; их ВАХ имеют существенные различия (рисунок 1.7)

Рисунок 1.7 - Вольт-амперные характеристики германиевого (1),

кремниевого (2) диодов

Сдвиг прямой ветви характеристики влево обусловлен различием в величине потенциального барьера , а положение обратной ветви определяется различием концентраций неосновных носителей, которые зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника.

Вид вольт-амперной характеристики зависит от температуры полупроводникового кристалла (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Зависимость вида ВАХ диода от температуры

С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде при постоянном значении прямого тока . Прямое напряжение изменяется на 2.1 мВ при изменении температуры на 1ºС.

Обратный ток увеличивается с ростом температуры в два раза при изменении температуры на 10ºС для германиевых и в три раза для кремневых диодов, однако, следует учитывать, что обратный ток кремневых диодов на три порядка меньше, чем германиевых.

В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:

Во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100...400 Вт;

Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - лишь от -60 до +85 °С (при температуре выше 85 °С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток, и может привести к потере диодом вентильных свойств).

Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений и больших токов выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5...2 раза меньше, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.

Основные параметры выпрямительных диодов:

максимально допустимое обратное напряжение диода - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;

средний выпрямленный ток диода - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод;

импульсный прямой ток диода - пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и форме импульса;

средний обратный ток диода - среднее за период значение обратного тока;

среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока ;

средняя рассеиваемая мощность диода - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

дифференциальное сопротивление диода - отношение приращения прямого напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.