P-n-переход. Полупроводниковые диоды и применение их в технике

Емкости диода.

Полупроводниковый диод обладает емкостными свойствами, т.е. способностью накапливать и соответственно отдавать заряд при увеличении или уменьшении приложенного напряжения. Накопление заряда происходит в переходе и базе диода, в соответствии с этим различают две емкости диода - барьерную и диффузионную. При этом: 

Барьерная емкость.

Для резкого p⁺-n-перехода объемный заряд в переходе

При изменении напряжения на переходе изменяется его толщина, а следовательно, и заключенный  в переходе нескомпенсированный  заряд, что и обусловливает емкостный эффект. Барьерной емкостью (емкостью перехода) называют отношение приращения заряда на переходе dQ_д к вызвавшему его приращению напряжения du:

(*)

Отсюда следует, что  барьерная емкость пропорциональна  площади перехода П и возрастает при увеличении концентрации примесей. Кроме того, она зависит от напряжения перехода, т. е. является нелинейной емкостью. Обозначим начальное значение барьерной емкости (при u=0) через

Тогда общее выражение (*) можно записать в виде

(**)

График зависимости C_б/C₀=f(u)для диода с резким переходом

представлен на рис (кривая Б). Из рисунка видно, что при увеличении обратного напряжения емкость перехода падает. Упрощенно эту зависимость  можно пояснить следующим образом. Полупроводниковая p-n-структура представляет собой как бы электрический конденсатор, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком — электронно-дырочный переход, практически не имеющий подвижных зарядов. При увеличении обратного напряжения толщина перехода возрастает, обкладки конденсатора как бы раздвигаются и емкость его падает.

Соотношение (**) справедливо  только для структур с резким переходом. В общем случае зависимость емкости  от приложенного напряжения может быть записана в виде

,

где лежит в пределах от 1/2 до 1/3 в зависимости от концентрационного профиля перехода.

Значения С₀ в тонких переходах могут доходить до 300—600 пФ, а изменение емкости при изменении напряжения может быть десятикратным.

Диффузионная емкость.

При переходе в область  прямых напряжений возрастает не только барьерная емкость диода, но и  емкость, обусловленная накоплением  неравновесного заряда в р- и n-областях структуры. В несимметричной р⁺-n-структуре неравновесный заряд, как указывалось, накапливается в базе:

(***)

Связанная с накоплением  неравновесного заряда емкость диода  называется диффузионной; она характеризует  изменение неравновесного заряда в  базе dQ_n при изменении напряжения диода на величину du. Из выражения (***) получаем для

(****)

Эта емкость существенно  отличается от обычной электрической  емкости тела, характеризующей накопление равновесных зарядов. Диффузионная емкость характеризует накопление неравновесного заряда, при этом разноименные заряды накапливаются в одном и том же объеме, так как одновременно с инжекцией дырок из эмиттерного перехода в базу поступают электроны из вывода базы, чем обеспечивается сохранение электрической нейтральности тела базы. Вследствие процесса рекомбинации накопленный заряд, а следовательно, и диффузионная емкость быстро уменьшаются во времени. Скорость спада зависит от времени жизни неравновесных носителей заряда и толщины базы.

Для режима коротких импульсов, когда , из выражения (****) получаем

Для диода с тонкой базой при  получаем

,

где - время диффузии носителей заряда сквозь базу.

Типы электропреобразовательных  полупроводниковых диодов и их применение в технике.

В основе применения полупроводниковых  диодов лежит ряд их свойств, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, обратный пробой дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т. д. В зависимости от вида используемого свойства, т. е. от назначения, различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные (силовые) высокочастотные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы  варакторы).                                                                                                                                                         

Выпрямительные диоды

Резкую асимметрию вольт-амперной характеристики р-n-перехода широко используют для выпрямления переменного тока низкой частоты. Приборы, предназначенные для этой цели, называются выпрямительными диодами, они являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов.

В выпрямительных диодах электронно-дырочный переход имеет  большую площадь, обеспечивающую получение  выпрямленных токов требуемой величины. Для изготовления выпрямительных диодов широко используют кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях в ряде случаев выгоднее германиевые диоды, так как они имеют меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевые.

Высокочастотные диоды

Под названием «высокочастотные диоды» объединим целую группу полупроводниковых  диодов, предназначенных для обработки  высокочастотных сигналов, а именно:

• детекторные диоды, предназначенные для выделения низкочастотного сигнала из модулированного колебания;
• смесительные диоды, используемые для изменения несущей частоты модулированного колебания;
• модуляторные диоды, предназначенные для модуляции высокочастотного колебания, и др.

Для всех этих диодов общим является работа на высоких частотах.

Если на низких частотах ток в цепи диода определяется только активными сопротивлениями  электронно-дырочного перехода (R_n),а также р- и n-областей полупроводника (r_б), то при работе диода на высоких частотах большую роль играют барьерная и диффузионная емкости. В результате совместного влияния этих емкостей и активного сопротивления r_б свойства диода на высоких частотах оказываются совершенно иными, чем на низких частотах, выпрямительный эффект с ростом частоты почти полностью исчезает.

Импульсные диоды.

Полупроводниковые диоды  широко используют в качестве ключа, т. е. устройства, имеющего два состояния: «открыто», когда сопротивление  прибора очень мало, и «закрыто», когда его сопротивление очень  велико. Время перехода диода из одного состояния в другое должно быть по возможности небольшим, так как этим определяется быстродействие аппаратуры. Предназначенные для этой цели диоды называют импульсными или ключевыми.

Полупроводниковые стабилитроны.

Режим электрического пробоя p-n-перехода находит практическое применение для стабилизации напряжения. Такие диоды носят название полупроводниковых стабилитронов. В современных стабилитронах максимальный ток колеблется в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение максимального тока приводит к выходу диода из строя.

Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя р-n-перехода, зависит от концентрации примесей в р-n-структуре и лежит в пределах 4—200 В.

Напряжение стабилитрона в рабочем режиме мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов.

Варикапы.

Варикап — это полупроводниковый  диод, применяемый в качестве электрического конденсатора, управляемого напряжением. В варикапе используется зависимость  емкости перехода от обратного напряжения.

Благодаря возможности  изменения емкости с помощью  напряжения варикапы находят применение для настройки высокочастотных  колебательных контуров и управления частотой генераторов гармонических  колебаний. Промышленностью выпускается  для этой цели большой ассортимент варикапов. Существует также разновидность варикапов, специально предназначенных для параметрического усиления колебаний и преобразования несущей частоты. Эти приборы называют варакторами или параметрическими диодами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

Наиболее важные для  техники полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.

Широкое применение полупроводников  началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых  выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

1. В.А. Батушев «Электронные приборы», М.: Высшая школа, 1990.
2. И.В. Савельев «Курс общей физики», М.: Наука, 1993
3. О.Ф. Кабардин «Физика. Справочные материалы», М.: Просвещение, 1991

^* Область, имеющая большую концентрацию основных носителей заряда, отмечают знаком «+» у обозначений типа электропроводности (например, р⁺).