Характеристика полупроводникового стабилитрона

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Контрольная работа

Характеристика полупроводникового стабилитрона



Содержание

полупроводниковый диод стабилитрон

Введение

1. Полупроводниковый диод и его применение

2. Полупроводники с собственной и дырочной проводимостью

3. р-n-переход диода

4. Типы р-n-переходов в диодах

5. p-n-переход при внешнем напряжении, приложенном к нему

6. Прямое смещение p-n-перехода

7. Обратное смещение p-n-перехода

8 .Полупроводниковые диоды. Их вольтамперные характеристики

9. Типы пробоев p-n-перехода. Вольтамперная характеристика стабилитрона

10. Лавинный пробой

11. Туннельный пробой

12. Тепловой пробой

13. Поверхностный пробой

14. Основные параметры и структура стабилитронов

15. Емкость p-n перехода

16. Переходные процессы в стабилитроне

17. Маркировка стабилитронов

Литература



Введение

Кремниевые диоды, предназначенные для поддержания постоянного напряжения на отдельном участке электрической цепи, называется стабилитронами. Они имеют следующую маркировку:2С191, КС211, КС520 и др. Стабилитроны представляют собою полупроводниковые диоды,работающие в режиме обратного напряжения. В отличие от обычного диода, смещённого, как правило, в прямом направлении, рабочая точка стабилитрона находится в области вольтамперной характеристики, соответствующей пробою диода.При обратном напряжении на стабилитроне большая часть его вольтамперной характеристики представляет собою прямую линию, практически параллельную оси токов. В таком режиме работы напряжение на стабилитроне остается постоянным при изменяющемся токе, протекающим через стабилитрон. Промышленностью выпускаются различные типы стабилитронов, рассчитанных на малую, среднюю и большую мощности и способные поддерживать постоянное напряжение от нескольких вольт до сотен вольт.



1. Полупроводниковый диод и его применение

Стабилитрон является частным случаем полупроводникового диода. Поэтому рассмотрим структуру, устройство и краткую теорию р-n перехода полупроводникового диода. Полупроводниковый диод - это схемный элемент с одним р-n переходом, имеющий два омических вывода.Наряду с такими схемными элементами, как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, транзисторы и др.полупроводниковые диоды широко распространены в аналоговой радиоэлектронике. Полупроводниковые диоды имеют малую массу и размеры, долговечны, имеют низкую цену, обладают высоким КПД.

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды классифицируются на:

выпрямительные, которые используются для преобразования переменного тока в постоянный;

импульсные, которые предназначены для применения в импульсных режимах;

преобразовательные, которые применяются в качестве смесителей, умножителей и модуляторов благодаря нелинейности вольтамперной характеристики;

переключательные, предназначенные для коммутации высокочастотных сигналов;

стабилитроны,которые применяются для стабилизации, т.е. поддержания постоянного напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры;

сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды, работающие в области высоких частот (109 -1010 Гц), выпрямление в которых происходит на контакте металл - полупроводник.

туннельные диоды, которые имеют в вольтамперной характеристике участок отрицательного наклона - участок отрицательного дифференциального сопротивления в некотором диапазоне прямых напряжений. Это интересное свойство диода используется для генерации и усиления электромагнитных колебаний.

варикапы - диоды, в которых используется зависимость емкости перехода от приложенного обратного напряжения и, которые применяются в качестве элементов с управляемой емкостью.

2 Полупроводники с собственной и дырочной проводимостью

Полупроводниковые диоды изготавливаются из полупроводников - элементов IVгруппы таблицы Менделеева: в основном из кремния и германия.Любой элемент этой группы имеет по 4 валентных электрона. Атомы в кристалле расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Любой из атомов связан с каждым соседним атомом двумя валентными электронами. Эта очень прочная связь атомов называется ковалентной.К полупроводникам относится большинство веществ, составляющих примерно 4/5 объема земной коры. Удельные сопротивления полупроводников при комнатной температуре имеют значения, которые находятся в широком интервале, т.е. от 10--3 до 107 Ом*м, и занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками.Но главной отличительной особенностью полупроводников является их температурная зависимость удельного сопротивления: с~T-1 (удельное сопротивление обратно пропорционально температуре). При температуре близкой к абсолютному нулю полупроводник представляет собою абсолютный диэлектрик из-за отсутствия в нем свободных зарядов.Но при повышении температуры связи валентных электронов с атомными ядрами ослабевают и некоторые электроны покидают свои атомы. Такие электроны уже не связаны с атомами и называются свободными, а места, которые покинули электроны, заряжены положительно и называются дырками.Дырки могут перемещаться по кристаллу. Чем выше температура кристалла полупроводника, тем больше электронов и дырок, тем меньше его удельное сопротивление. Если к такому полупроводнику приложить напряжение, то через него будет протекать ток, представляющий встречные потоки электронов и дырок. Проводимость, возникающая в кристалле полупроводника за счет нарушения валентных связей, называется собственной проводимостью.Таким образом, собственная проводимость полупроводников имеет электронно-дырочный характер.

Но химически чистые полупроводники практически не применяются в технике из-за малой концентрации свободных зарядов. Поэтому полупроводники легируют - вводят примеси элементов с валентностью большей или меньшей, чем у атома собственного полупроводника. Образуются примесные полупроводники.

Введем в кристалл полупроводника, например, кремния атомсурьмы. Сурьма - элемент V группы периодической системы с пятью валентными электронами. Атом сурьмы с помощью четырех валентных электронов образует валентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый, слабо связанный электрон атома сурьмы, не участвующий в установлении междуатомных связей, под влиянием теплового движения или иных воздействий отрывается от атома и превращается в свободный электрон. Атом сурьмы при этом превращается в положительный ион, который не может перемещаться по кристаллу. Число дырок при этом не возрастает. Увеличивая концентрацию атомов сурьмы можно получить существенное превышение концентрации свободных электронов над концентрацией дырок. (0,0001% примеси сурьмы увеличивает число свободных электронов в 1000 раз). В таких полупроводниках электроны являются основными носителями, а дырки - не основными носителями заряда. Эти примесные полупроводники называются полупроводниками с электронной проводимостью или полупроводниками n-типа (n - первая буква слова negative - отрицательный). Примеси, атомы которых способны создавать избыток свободных электронов, называются донорными примесями или донорами.

При введении в кристалл кремния атома индия, атома с тремя валентными электронами, заполняются только три валентные связи атома индия с тремя соседними атомами кремния. Четвертая связь остается незаполненной. Но эта незаполненная связь не несет заряд - атом индия и смежный с ним атом кремния электрически нейтральны. При тепловом возбуждении электрон одной из заполненных соседних связей может перейти в атом индия и заполнить связь. Атом индия при этом превращается в отрицательный ион, а в дефектной связи атома кремния, откуда пришел электрон, появляется положительный заряд - дырка. Повышая концентрацию примеси индия, можно добиться, что бы дырки стали основными носителями, а электроны - не основными носителями заряда. Такие примесные полупроводники называются полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками p-типа (p - первая буква слова positive - положительный). Примеси, атомы которых способны создавать избыток дырок в полупроводнике называются акцепторными примесями или акцепторами.

Рассмотренные выше процессы обратимы. Одновременно с процессом генерации пар «электрон-дырка» происходит и процесс восстановления нарушенных связей. Пара «электрон-дырка» при этом исчезает. Такой процесс носит название рекомбинации.

3. р-n-переход диода

Схематично диод можно представить как две пластины с различными типами проводимости: р-типа и n-типа. На внешние поверхности пластин нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы.Основным элементом полупроводниковых диодов является электронно-дырочный переход (р-n-переход).

Рассмотрим пространственное распределение дырок -*, электронов - O, ионов акцепторов - и ионов доноров - в p- и n-областях кристалла полупроводника до их контакта (рисунок 1):

Рисунок 1 - Начальное распределение концентраций зарядов по длине кристалла Lв p- и n-областях. Здесь:Na- концентрация ионов акцепторов;Nд-концентрация ионов доноров;рр- концентрация дырокв p-области кристалла;nр- концентрация электронов в p-области кристалла;рn- концентрация дырокв n-области кристалла;

nn-концентрация электронов в n-области кристалла.

До соприкосновения p- и n-областей кристалла дырки * и отрицательные ионы примеси (акцепторы) в p-области распределены равномерно. Кроме того, в p-области имеется небольшое количество равномерно распределенных свободных электронов. Концентрации акцепторов Na и дырок pp в p-области практически одинаковы и много больше концентрации электронов np. Аналогично в n-области кристалла электроны O и положительно заряженные ионы примеси (доноры) распределены равномерно, как и небольшое количество дырок. Концентрации доноров Nд и электронов nn практически одинаковы и много больше концентрации дырок pn.

Рассмотрим процессы, протекающие при контакте двух полупроводниковых пластин (областей кристалла) с различными типами проводимости и образование p-n-перехода (рисунок 2).Путем простого соприкосновения двух полупроводниковых пластинок различной проводимости p-n переход осуществить нельзя, так как при этом неизбежен очень тонкий промежуточный слой воздуха или поверхностных пленок. Настоящий p-n переход получается в едином кристалле полупроводника, при внедрении в него акцепторов, с одной стороны, и доноров, с другой. Между слоями р и n появляется резкая граница.На границе p- и n- областей кристалла образуется градиент концентраций свободных носителей заряда: концентрация электронов и концентрация дырок по разные стороны от границы раздела значительно отличаются. Возникает диффузия свободных зарядов: электроны из n-области переходят в p-область и рекомбинируют с дырками, а дырки из р-области переходят в n-область и рекомбинируют с электронами. В результате в пограничной области концентрация свободных электронов и дырок убывает почти до нуля. Электрическая нейтральность полупроводника нарушается: с одной стороны, электроны и дырки, переходя через границу раздела, оставляют после себя неподвижные ионы доноров и акцепторов, с другой стороны, увеличивается концентрация электронов в р-области и концентрация дыро кn-области.



Рисунок 2 -Распределение концентраций заряда в идеализированном p-n-переходе. Здесь:Na -концентрация ионов акцепторов;Nд-концентрация ионов доноров;рр- концентрация дырок в p-области кристалла; nр- концентрация электронов в p-области кристалла;рn- концентрация дырок в n-области кристалла;

nn- концентрация электронов в n-области кристалла; - контактная разность потенциалов; Ек - напряженность электрического поля; lp-n -ширина p-n-перехода.

В р-области вблизи ее контакта с n-областью образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n-области - положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Области пространственных зарядов на рисунке 2 заштрихованы.Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов цк и электрическое поле с напряженностью Ек . Поле огромной напряженности (Ек ? 106 В/м) препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход и она практически прекращается.

На рисунке 3 показано распределение концентраций электронов и дырок в р-n-переходе. Если атомы доноров и акцепторов полностью ионизированы, то концентрация дырок в р-области равна концентрации акцепторов, а концентрация электронов в n-области равна концентрации доноров. Так как электроны и дырки являются свободными подвижными зарядами, то их концентрации в области р-n-перехода от pp до pn(или от nn доnp ) изменяются плавно.

Рисунок 3 - Распределение концентраций электронов и дырок в р-n-переходе.

lp-n -ширина p-n-перехода.

На рисунке 4 представлены распределения отрицательных и положительных зарядов в p-n-переходе. Так как акцепторы и доноры жестко связанны с кристаллической решеткой полупроводника, то в области раздела р- и n-областей концентрации акцепторов и доноров изменяются скачком. Изменение электрического заряда с отрицательного на положительный заряд в этой области полупроводника также происходит скачком.Переход в целом нейтрален, т. е. отрицательный заряд в левой части и положительный заряд в правой части полупроводникового кристалла одинаковы.

Рисунок 4 - Распределение объемных электрических зарядов в р-n-переходе.

Область образовавшихся пространственных зарядов и есть область

p-n-перехода. Часто эту область называют обедненным или истощенным слоем из-за сильно пониженной концентрации подвижных носителей заряда.

Переход от области отрицательного объемного заряда к области положительного объемного заряда сопровождается изменением потенциала. За пределами объемного заряда потенциал n-области полупроводника будет постоянным. Его значение можно принять за нулевой потенциал (рисунок 5).

Рисунок 5 - Изменение потенциала в области объемного заряда и за ее пределами.

С уменьшением x,по мере углубления в область положительного объемного заряда потенциал возрастает по модулю. Причем максимальная скорость возрастания соответствует границе раздела положительного и отрицательного объемного зарядов. В области отрицательного объемного заряда скорость возрастания потенциала с уменьшением x опять замедляется. За пределами отрицательного объемного заряда в любом сечении p-области потенциал ц будет постоянным, максимальным по модулю и отрицательным по знаку. Разность потенциалов, возникающую в р-n-переходе называют контактной разностью потенциалов и часто обозначают

Изменение величины напряженности электрического поляЕ представлено на рисунке 6. Напряженность электрического поля Е максимальна на границе р-и n-областей, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда.

Рисунок 6 - Зависимость напряженности электрического поля Е от координаты x.

В этом сечении полупроводника крутизна кривой ц(x) максимальна.Напряженность электрического поля представляет собою градиент потенциала, т. е. характеризуется скоростью изменения потенциала с изменением координаты. Поэтому максимальной крутизне кривой ц(x), точке ее перегиба, будет соответствовать максимальное значение напряженности электрического поля Е. При удалении от р- и n-областей напряженности поля убывает. Там, где объемный заряд равен нулю, электрическое поле отсутствует.

Таким образом, область, обеднённая свободными носителями заряда со своим собственным электрическим полем называется р-n переходом. Область перехода является наиболее высокоомной частью диодной структуры.

p-n-переход характеризуется двумя основными параметрами:

1) Высотой потенциального барьера. Она равна контактной разности потенциалов. Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда. Контактная разность потенциалов представляет энергию, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер:

(1)

гдеk = 1,38*10-23 Дж/К- постоянная Больцмана;е- заряд электрона;

Т- абсолютная температура ;ррирn- концентрации дырок в р-иn-областях соответственно ;nриnn- концентрации электронов в р-иn-областях соответственно, - температурный потенциал. При температуре

Т = 270С0.025 В.Для германиевого перехода контактная разность потенциалов0,6В, а для кремниевого перехода0,8В.

2) Ширинаp-n-переходаlp-n(рисунки 3) - это приграничная область, обеднённая носителями заряда, которая располагается между p- иn-областях:

lp-n = lp +ln, где

(2)

гдее- относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника;е0 - диэлектрическая постоянная вакуума; NAи ND-концентрация акцепторов и доноров. Из формулы (2) видно, что ширинаp-n-перехода зависит от концентраций акцепторов и доноров.

Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок (0,1-10) мкм. Чем толще p-n-переход,тем больший ток может протекать без его повреждения, тем на большую допустимую мощность рассчитан диод.

4. Типы р-n-переходов в диодах

Несимметричным называют такой p-n-переход, в котором концентрации акцепторов и доноров существенно различаются (Na>Nдили Na<Nд), аобласти, обедненные свободными зарядами, неравны по размерам (lp<lnили lp>ln).Переход располагается в большей степени в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.

Переходы, в которых имеется скачкообразное изменение концентрации на границе слоев, называются ступенчатыми.По соотношению концентраций основных носителей (электронов nn и дырок pp) или по соотношению концентраций ионов акцепторов Na и доноров Nд в р и п слоях кристалла переходы делятся на симметричные и несимметричные. Если pp = nn или Na = Nд, то lp =ln и p-n-переход называется симметричным. (На рисунках 1 и 2 приведены концентрации Na и Nд, ppи nn для ступенчатого симметричного перехода). Если Na>Nд (Na<Nд) то lp<ln (lp>ln) и p-n-переход называется несимметричным.Симметричные переходы, где концентрации основных носителей в обоих слоях почти одинаковы, трудно реализовать практически.Поэтому они не являются типичными. Большее распространение получили несимметричные переходы, в которых выполняются неравенства pp > nn(Nа > Nд )или nn > pp (Nд > Nа ), и концентрации различаются в несколько раз.



5.p-n-переход при внешнем напряжении, приложенном к нему

В равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-n-переход движутся два встречных потока зарядов, протекают два тока. Это:

дрейфовый ток неосновных носителей заряда- Iдр;

диффузионный ток, который связан с движением основных носителей заряда- Iдиф.

Так как внешнее напряжение отсутствует,и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый ток и диффузионный ток взаимно уравновешиваются.Поэтому результирующий ток, равный алгебраической сумме токов, равен нулю

Iдр + Iдиф = 0 (3)

Это соотношение называется условием динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном)p-n-переходе.

Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в

p-n-переходе и он переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения приложенного к областям в p-n-переходе возможно два режима работы стабилитрона.

6. Прямое смещение p-n-перехода

Если положительный полюс источника постоянного напряжения подсоединен кр-области, а отрицательный - к n-области,то p-n-переход смещён в прямом направлении (рисунок 7)

При прямом смещении, контактная разность потенциалов цк и напряжение источника U направлены встречно.Результирующее напряжение на p-n-переходе убывает до величиныцк - U . Это приводит к тому, что:

1) напряженность электрического поля на p-n-переходе убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда.Ток диффузии, ток основных носителей заряда, становится много больше дрейфового тока. Таким образом, через p-n-переход протекает прямой ток равный

Iр-n-Iп-р=Iдиф-Iдр ? Iдиф (4)

2) ширина p-n перехода уменьшается. Согласно теории lp-n ? (цк - U )1/2.

3) сопротивление p-n перехода при прямом смещении мало и не превышает нескольких десятков Ом.

При протекании прямого тока основные носители заряда переходят из одной области в другую (дырки из р-области переходят в n-область, а электроны из n-области - в р-область), где становятся неосновными. Диффузионный процесс проникновения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток - диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда, накапливающихся в p и n-областях, во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т.е. принцип электронейтральности сохраняется.

Рисунок 7 - Схема подключения источника напряжения к p-n-переходу в прямом направлении	Рисунок 8 - Схема подключения источника напряжения к p-n-переходу в обратном направлении

При увеличении напряжения источника Uток через p-n-переход резко возрастает по экспоненциальному закону Iпр =I0exp(U/цT) и может достигать больших величин, т.к. связан с основными носителями, концентрация которых велика.

7. Обратное смещение p-n-перехода

Если кр-области p-n-перехода приложен минус, а к n-области плюс внешнего источника напряжения (рисунок 8), то p-n-переход обратно смещен.

Напряжение внешнего источника увеличивает высоту потенциального барьера до величиныцк + U . Напряженность электрического поля возрастает; ширина p-n-перехода увеличивается, т.к. lp-n ? ( цк + U )1/2 . Процесс диффузии полностью прекращается и черезp-n-переход протекает только дрейфовый ток, ток неосновных носителей заряда. Такой ток p-n-перехода называют обратным, а поскольку он связан с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации, то его называют тепловым током и обозначают I0 , т.е.

In-p=Iобр=Iдиф+Iдр ?Iдр= I0.

Этот ток мал по величине, т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной. Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубиныp- иn-областей к границе p-n-перехода. Достигнув ее, неосновные носители попадают в сильное электрическое поле и переносятся через p-n переход, где становятся основными носителями заряда. Диффузия неосновных носителей заряда к границе p-n-перехода и дрейф через него в область, где они становятся основными носителями заряда, называется экстракцией. Экстракция и создает обратный токp-n-перехода- это ток неосновных носителей заряда.

Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода.Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия(на 3-4 порядка),что связано с различием контактной разности потенциалов материалов.

С увеличением площади перехода возрастает его объем, а следовательно, возрастает число неосновных носителей, появляющихся в результате термогенерации. Тепловой ток при этом растет.

Сопротивление p-n перехода при обратном напряжении велико и может достигать десятков, сотен кОм и даже МОм.Таким образом, p-n-переход обладает односторонней проводимостью: он пропускает ток только в одном направлении.

Итак, главное свойство p-n-перехода -его односторонняя проводимость.

8. Полупроводниковые диоды. Их вольтамперные характеристики

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя слоями проводимости (р-n-переход), заключенный в корпус и два вывода для присоединения его к электрической цепи.Схематическое устройство плоскостного диода показано на рисунке 9а. Один из способов изготовления таких диодов следующий. На поверхности полупроводникой пластины с электронной проводимостью площадью 2-4 мм2 и толщиною в несколько десятых долей миллиметра расплавляют маленький кусочек индия (акцептор). Атомы индия диффундируют в пластинку, образуя область с дырочной проводимостью. Между двумя областями полупроводника с различным типом проводимости возникает p-n-переход. Одна из областей р-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

Схемное обозначение полупроводникового диода показано на рисунке 9б. В основе символа положена стрелка, указывающая направление прямого тока через диод.

Для диодов очень важной характеристикой является зависимость тока, протекающего через диод, от величины постоянного напряжения, приложенного к клеммам диода. Эта характеристика называется статической вольтамперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода. ВАХ разных диодов представлены на рисунке 10.

а)	б)

Рисунок 9 -Структура полупроводникового диода, полученного методом сплавления (а) и схемное обозначение полупроводникового диода (б)

Рисунок 10 - Вольтамперные характеристики для германиевого (Ge) и кремниевого(Si)диодов. Пунктиром показана теоретически рассчитанная характеристика p-n перехода

Теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяется соотношением

I = I0 (exp (U/mцT) - 1) (5)

где Iо -- обратный ток насыщения (ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); U -- напряжение на p-n-переходе;-- температурный потенциал (k=1.38·10-23 Дж/К-- постоянная Больцмана,Т -- температура, е -- заряд электрона); m -- поправочный коэффициент: m = 1для германиевых р-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе).

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми, вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов на рисунке 10 практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых.

При изменении температуры германиевого диодас протекающим постоянным током, напряжения на нем изменяется приблизительно на 2,5 мВ/°С:

dU/dT= -2,5 мВ/°С. (6)

Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от --1,5 мВ/°С в нормальном режиме.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 - 100 °С для германиевых диодов и 150 - 200 °С для кремниевых.

Минимально допустимая температура диода лежит в пределах -(60 - 70)°С.

Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:

rДИФ = dU/dI (7)

Статическим сопротивлением диода называют отношение напряжения, приложенного к зажимам диода, к величине тока, протекающего через диод при этом напряжении: Rст = U/I. Часто в качестве U и I принимают номинальные значения напряжения и силы тока.

9. Типы пробоев p-n-перехода. Вольтамперная характеристика стабилитрона

Диод при обратном включении обладает большим сопротивлением и практически не пропускает ток только при малых значениях напряжений. При увеличении обратного напряжения в диоде происходит пробой и обратный ток резко увеличивается (рисунок 11).

Рисунок 11 - ВАХ кремниевых стабилитронов разной мощности	Рисунок 12 - ВАХ стабилитрона с пробоями разного типа

Если мощность, выделяемая на переходе, поддерживается на допустимом уровне, то p-n-переход сохраняет работоспособность и после пробоя. Такой пробой называется обратимым. Обратимые пробои характерны для полупроводников с большой шириной запрещенной зоны (кремний, арсенид галия). Различают три основных типа пробоев: лавинный, туннельный и тепловой (рисунок 12).

10. Лавинный пробой

Лавинный пробой связан с образованием лавины носителей зарядов под действием сильного электрического поля. В результате ударной ионизации заряды приобретают энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар. Напряженность электрического поля при этом должна достигать (8-12)*104 В/см. Такая напряженность возникает при обратном напряжении более6 - 7 В. Количество носителей, уходящих с перехода при пробое, оказывается больше количества носителей поступающих в переход, что приводит к резкому возрастанию обратного тока (рисунок 12).

Сужение перехода ниже некоторого предела исключает возможность возникновения лавинного пробоя, так как носители заряда не успевают приобрести на такой ширине перехода энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов.

11. Туннельный пробой

Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантово механическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии.

При увеличении напряженности электрического поля до 7*105 В/см в p-n-переходах с высокой концентрацией примесей наступает туннельный пробой. Ширина перехода становится малой (порядка 0,01 мкм). Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов. Происходит туннельное «просачивание» активных валентных электронов сквозь «тонкий» энергетический барьер из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области и обратный ток сильно возрастает (рисунок 12).Рассмотренные механизмы пробоя (лавинный и туннельный) наблюдаются как у кремниевых, так и у германиевых p-n переходов.

12. Тепловой пробой

Тепловой пробой является необратимым и происходит с разрушением p-n перехода. Он возникает вследствие разогрева объема материала проходящим через него током при недостаточном теплоотводе. В режиме постоянного тока мощность, подводимая к p-n переходу (мощность рассеяния), выражается соотношением P расс=UобрIобр. Эта мощность идет на разогрев перехода, увеличивает термогенерацию электронов и дырок в обратно включенном p-n переходе. Это вызывает дальнейшее возрастание обратного тока (рисунок 12).

13. Поверхностный пробой

Кроме трех основных типов пробоя p-n перехода наблюдается еще поверхностный пробой. Поверхностным пробоем электронно-дырочного перехода называют пробой перехода, который происходит в месте выхода перехода на поверхность кристалла. Поверхностный пробой является необратимым. Условия необратимого пробоя зависят от состояния внешней поверхности p-n перехода. Заряды, имеющиеся на поверхности, изменяют результирующую напряженность поля в приповерхностном слое по сравнению с ее значением в глубине объема p-n перехода. Величина пробивного напряжения зависит от величины поверхностного заряда. В неблагоприятном случае напряжение пробоя может быть в несколько раз ниже, чем по объему. По своей природе поверхностный пробой может быть лавинным, туннельным или тепловым.

Промышленность выпускает стабилитроны, предназначенные для стабилизации напряжений в пределах от единиц до сотен вольт. Для стабилизации напряжений меньших 1 В, используются кремниевые стабилитроны, включенные в прямом направлении. В этом случае применяется режим работы на прямой ветви АЧХ и стабилизируется напряжение меньше 0,7-1,0 В. Такие устройства называются стабисторами и имеют следующую маркировку: КС107, 2С113А, 2С119А и др.

14ю Основные параметры и структура стабилитронов

Напряжение стабилизации или напряжение пробоя является одним из основных параметров полупроводникового стабилитрона. В паспортных данных на полупроводниковые стабилитроны указывается номинальная величина напряжения пробоя для нормированного значения тока через стабилитрон.

Отечественной промышленностью серийно выпускаются кремниевые стабилитроны с напряжениями стабилизации от 3 до 180Впри допускаемом разбросе номинальных значений ±10% и допустимой мощности 0,25-50 Вт.

Вольтамперные характеристики позволяют оценить качество стабилитронов с различными напряжениями пробоя. У кремниевых стабилитронов с напряжением стабилизации менее 6,5 В обратный ток увеличивается почти экспоненциально с увеличением приложенного напряжения и перегиб вольтамперной характеристики в области пробоя довольно плавный. У кремниевых стабилитронов с напряжением стабилизации более 6,5Впереход в области пробоя резко выражен. Различие вольтамперных характеристик связано с различием в механизмах пробоя. В первом случае имеет место туннельный пробой, а во втором - лавинный (рисунок 11). Типичные вольтамперные характеристики низковольтных кремниевых стабилитронов приведены на рисунке 12.

Минимальный ток стабилизации - такое значение тока через стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.

Максимальный ток стабилизации ограничен допустимой мощностью рассеяния и зависит от температуры перехода. Величину максимального тока стабилизации можно определить как отношение предельной мощности рассеяния на стабилитроне к напряжению стабилизации. Промышленность выпускает стабилитроны с токами до 5 А.Между значениями минимального и максимального токов стабилизации напряжение стабилизации (пробоя) изменяется незначительно. Вольтамперная характеристика на этом участке приближается к прямой линии. В современных кремниевых стабилитронах область перегиба вольтамперных характеристик занимает узкую зону.

Статическое сопротивление стабилитрона определяется как отношение напряжения стабилизации в данной точке вольтамперной характеристики к току стабилизации в той же точке.

Дифференциальное (динамическое)сопротивление диода - это отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:rДИФ = dU/dI .Дифференциальное сопротивление стабилитрона определяет влияние малых изменений тока на напряжение стабилизации; величина его равна тангенсу угла наклона вольтамперной характеристики и характеризует крутизну ВАХ в данной точке:

Динамическое сопротивление для данного напряжения пробоя зависит от тока. При малых токах (в области перегиба вольтамперных характеристик) оно велико и уменьшается с увеличением тока. Температура окружающей среды также оказывает влияние на динамическое сопротивление.

Максимальная мощность рассеяния стабилитрона определяется площадью его электронно-дырочного перехода и конструктивным оформлением. Величина номинальной мощности рассеяния стабилитронов различных типов указывается для определенных температур окружающей среды, исходя из максимально допустимой температуры p-n-перехода. Способность кремниевых стабилитронов выдерживать кратковременные перегрузки зависит от максимальной мощности рассеяния. Практика показывает, что полупроводниковые стабилитроны хорошо выдерживают кратковременные перегрузки.

На рисунке 13 показана типичная конструкция маломощного стабилитрона и его схемное обозначение.

а)	б)

Рисунок 13 - Внешний вид, устройство (а) и схемное обозначение полупроводникового стабилитрона (б),полученного методом сплавления

Основой конструкции является коваровый корпус, приваренный к кристаллодержателю.Ковар- магнитный сплав на основе железа, содержит Coи Ni. Характеризуется низким коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту теплового расширения стекла. Корпус изолирован от внешнего вывода стеклянным проходным изолятором. Внешний вывод имеет специальный изгиб для того, чтобы уменьшить механические напряжения при изменении температуры. Внешняя поверхность стеклянного изолятора покрывается светонепроницаемым лаком для предотвращения попадания света внутрь прибора: свет может вызвать генерацию пар электрон-дырка и увеличить обратный ток p-n перехода.

15. Емкость p-n перехода

Полупроводниковый стабилитрон является инерционным элементом по отношению к быстрым изменениям тока или напряжения, так как новое распределение носителей заряда устанавливается не сразу. Внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину пространственных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции (или экстракции) меняются заряды в области базы. Следовательно, наряду с проводимостью, стабилитрон обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно р-п переходу. Эту емкость принято разделять на две составляющие: барьерную емкость, связанную с перераспределением зарядов в переходе, и диффузионную емкость, обусловленную перераспределением зарядов в базе. Такое разделение емкости весьма условно, но удобно на практике.

Барьерная (зарядная)емкость обусловлена некомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенными по обе стороны от границы р-n-перехода. Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад.Изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-n-перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении - барьерной емкостью.

Упрощенная схема для измерения емкости стабилитрона представлена на рисунке 14. На реактивное сопротивление стабилитрона XC и резистор R, представляющие делитель напряжения, подается переменное напряжение от генератора G. Сопротивление источника постоянного напряжения Е2 мало для переменного тока и не учитывается.

Рисунок 14 - Схема замещения для измерения ёмкости стабилитрона

Зная величину входного напряжения на делителе . и напряжение на резисторе , можно определить величину емкости варикапа. Напряжения в цепи отличаются по фазе и поэтому они записываются в комплексном виде, как и ток.

Для резистора R закон Ома имеет вид:

(9)



Приравняв (8) и (9) получим: или. Учтем, что. Тогда. Отношение модулей напряжений равно . Возведем уравнение в квадрат,учтем, что и получим формулу для расчета емкости диода:

(10)

16. Переходные процессы в стабилитроне

Переходные процессы характеризуются временными зависимостями напряжения и тока в электрической цепи. Ток или напряжение на p-n-переходе стабилитрона могут изменяться с большой скоростью по величине или по знаку.

В стабилитроне происходит процесс переключения, если полярность приложенного к нему напряжения изменяется скачком. На практике к стабилитрону могут прикладывать и двуполярные импульсы напряжения. Такой режим стабилитрона принято называть динамическим режимом или режимом большого сигнала. Если приложенное напряжение изменяется от нуля до некоторого уровня U>0, то происходит включение стабилитрона; при переходе с уровня U>0на уровень U<0наблюдается выключение стабилитрона.

В реальном p-n переходе изменения тока или напряжения не могут происходить мгновенно из-за инерционности процессов рассасывания инжектированных носителей по обе стороны перехода и перезаряда его емкости.

При быстром изменении напряжения на стабилитроне переходные процессы связаны с двумя явлениями. Первое из них - это накопление неосновных носителей в базе p-n перехода при его прямом включении и их рассасывание при уменьшении напряжения. Так как движение не основных носителей в базе определяется законами диффузии, то происходит оно относительно медленно. Второе явление, возникающее при переключении p-n-перехода - это заряд и разряд барьерной емкости. При больших плотностях прямого тока через p-n переход преобладает первое явление, а при малых - второе.

На рисунке 15 приведены характерные временные зависимости напряжения и тока при подаче на стабилитрон импульсного напряжения. При подаче на стабилитрон положительного импульса необходимого некоторое время для того, чтобы стабилитрон оказался смещенным в прямом направлении и в нем возник некоторый ток Inp=Unp/Rnp. При смене полярности ток скачкообразно принимает новое значение Iобр=Uобр/rобр

Рисунок 15 - Переходные процессы при отпирании, переключении и запирании p-n перехода. Uг- импульсное напряжение, подаваемое с генератора, Uс- напряжение на p-n переходе стабилитрона, I - ток через p-n переход.



При попеременном переключении p-n перехода с прямого направления на обратное различают следующие «искаженные» (динамические) участки переходной характеристики:

установление прямого напряжения при заданном прямом токе (интервал времени t1);

рассасывание избыточных носителей в базе при заданном обратном токе (интервал времени t2);

восстановление обратного тока при заданном обратном напряжении (интервал времени t3).

Установившееся прямое напряжение Uпр состоит из 2-х компонентов: напряжения на p-n переходе Uпер и напряжения на базовом слое Uбаз. Форма установившегося прямого напряжения при заданном малом прямом токе показана на рисунке 15, а при большом токе прямое напряжение имеет большой выброс.

Перераспределение зарядов в базе и переходе не может произойти мгновенно после переключения стабилитрона с прямого направление на обратное. Концентрация носителей заряда и связанное с ней напряжение на переходе уменьшаются постепенно. Поэтому в течение некоторого времени на переходе сохраняется небольшое прямое напряжение. Считают, что этап рассасывания заканчивается тогда, когда граничная концентрация носителей заряда достигает равновесного значения. Время рассасывания t2заряда зависит от величин прямого Inp и обратного Iобр токов, а также от среднего времени жизни не основных носителей фр: t2=фр•ln (1+ Inp/Iобр). В течение этого времени избыточный заряд практически рассасывается. Для быстродействующих коммутационных диодов стремятся уменьшать параметр фр.Параметр t2 служит мерой, ограничивающей быстродействие логических интегральных схем (ИС), создаваемых по биполярной технологии.

После того как накопленный заряд рассосется, диод переходит в стационарное состояние, характеризуемое напряжением Uобр и током насыщения I нас (рисунок 15). Переход совершается за время, называемое временем восстановления t3. Как время рассасывания, так и время восстановления зависят от среднего времени жизни избыточных носителей.

17. Маркировка стабилитронов

Полупроводниковые стабилитроны маркируются семиэлементным кодом:

1-й элемент - буква (для приборов широкого применения) или цифра (для приборов специального применения), указывающие на исходный полупроводниковый материал: 1 или Г - германий; 2 или К - кремний; 3 или А - арсенид галлия; 4 или И - соединения индия;

2-й элемент -С - стабилитроны;

3-й элемент - цифра (или буква) определяет основные параметры прибора (в приборах, разработанных за 1978 г., может отсутствовать);

4,5 и 6-й элементы - трехзначное число, обозначающие порядковый номер разработки;

7-й элемент - буква, определяющая классификацию диодов, изготовленных по единой технологии, по некоторым основным параметрам (обратному напряжению, допустимому току и т. д.).

Например: 2С162А - стабилитрон кремниевый, 162 номер разработки, группа А; КС113Б - стабилитрон кремниевый, 113 номер разработки, группа Б.



Литература

1. Электроника: Энциклопедический словарь. Гл. редактор В.Г. Колесников. М.:Советская энциклопедия. 2001. 688с.

2. Барыбин А.А. Электроника и микроэлектроника. М.: Физматлит, 2006, 423 с.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.: Советское радио, 1980.424 с.

4. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. М.: Советское радио, 1964. 655 с.

Размещено на Allbest.ru