какая емкость негативно влияет на работу диода

Емкость полупроводникового диода.

Р-п-переход при обратном напряжении аналогичен конденсатору со значительной утечкой в диэлектрике. Запирающий слой имеет очень высокое сопротивление и по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда, созданных ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому p-n-переход обладает емкостью, подобной емкости конденсатора с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью.
Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади p-n-перехода и диэлектрической проницаемости вещества полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Особенность барьерной емкости состоит в том, что она является нелинейной емкостью, т. е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается. А так как этот слой играет роль диэлектрика, то барьерная емкость уменьшается.
Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как она шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Но вместе с тем имеется и полезное применение барьерной емкости. Специальные диоды, называемые варикапами, используют в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на применении нелинейной емкости. В отличие от обычных конденсаторов переменной емкости, в которых изменение емкости происходит механическим путем, в варикапах это изменение достигается регулировкой величины обратного напряжения. Способ настройки колебательных контуров с помощью варикапов называют электронной настройкой.
При прямом напряжении диод, кроме барьерной емкости, обладает так называемой диффузионной емкостью, которая также нелинейна и возрастает при увеличении прямого напряжения. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в п– и p-областях при наличии прямого напряжения на переходе. Она существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в п– и p-областях. Так, например, если в некотором диоде p-область является эмиттером, а п-область – базой, то при подаче прямого напряжения из p-области в п-область через переход устремляется большое количество дырок и, следовательно, в п-области появляется положительный заряд. Одновременно под действием источника прямого напряжения из провода внешней цепи в п-область входят электроны и в этой области возникает отрицательный заряд. Дырки и электроны в п-области не могут мгновенно рекомбинировать. Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствует определенная величина двух равных разноименных зарядов, накопленных в п-области за счет диффузии носителей через переход.
Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но она в большинстве случаев не оказывает существенного влияния на работу диода и использовать ее также не удается, так как она всегда зашунти-рована малым прямым сопротивлением самого диода. Практическое значение, как правило, имеет только барьерная емкость.

Источник

3.5.3. Влияние паразитных емкостей

На работу диодных ограничителей влияют паразитные емкости: междуэлектродная емкость диода С_Д и емкость С₀, которая составляется входной емкостью С_ВХ последующего устройства и емкостью монтажа С_М. Чтобы выяснить их влияние, предположим, что к входу ограничителя подключен генератор идеальных прямоугольных импульсов: в этом случае действие паразитных емкостей проявляется наиболее наглядно.

Для упрощения примем внутреннее сопротивление генератора равным нулю. Кроме того, учтем, что R_H >> R_ПР (где R_ПР – прямое сопротивление открытого диода) и обычно С₀ >> С_Д.

1) Схема последовательного ограничителя с указанием этих емкостей изображена на рис. 3.21, а. Каждый скачок напряжения на входе (2U_m) делится между емкостями С_Д и С₀ и обусловливает скачок напряжения на выходе

После отпирания диода под воздействием положительного перепада начинается экспоненциальное изменение выходного напряжения (рис. 3.21, б) с постоянной времени t₁ = С₀R_ПР, а после запирания диода (при воздействии отрицательного перепада u_ВХ) – с постоянной времени t₂ = С₀R_H.

2) Схема параллельного диодного ограничителя с указанием емкости С₀, шунтирующей нагрузку R_H, приведена на рис. 3.21, в, где С₀ = С_М + С_ВХ + С_Д.

Начнем рассмотрение ее работы с момента, когда на входе действует положительный импульс напряжения с амплитудой U_m (рис. 3.21, г). При этом открытый диод шунтирует емкость С₀ и напряжение на выходе u_ВЫХ » 0.

Источник

Емкость полупроводникового диода

Выше говорилось о том, что р-n переход при обратном напряжении u_ОБР аналогичен конденсатору с током утечки в диэлектрике. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +Q_ОБР и –Q_ОБР, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примесей.

Поэтому р-n переход обладает емкостью, подобной емкости плоского конденсатора, которую называют барьерной емкостью.

При постоянном напряжении она определяется соотношением:

при переменном напряжении:

Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади р-n перехода и

диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Несмотря на то, что у диодов малой мощности площадь перехода мала, емкость С_б получается весьма заметной за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у германия e = 16). В зависимости от площади перехода С_б может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости является ее нелинейность. Характер зависимости С_б = f (u_ОБР) приведен на рис. 4.2, из которой видно, что под влиянием напряжения u_ОБР емкость С_б изменяется в несколько раз.

При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью С_ДИФ, которая так же нелинейна и возрастает при увеличении u_ПР. Она характеризует накопление подвижных носителей заряда в n— и р-областях при прямом напряжении на переходе. Эта зависимость практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в областях. Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных зарядов +Q_ДИФ и –Q_ДИФ. Диффузионная емкость при постоянном напряжении определяется:

С увеличением u_ПР прямой ток растет быстрее, чем напряжение, т.к. ВАХ для прямого тока нелинейна; поэтому Q_ДИФ растет быстрее, чем u_ПР, и С_ДИФ увеличивается.

На рис. 4.3 приведены эквивалентные схемы диода, работающего на переменном токе. Сопротивление R₀ (рис. 4.3,а) представляет собой суммарное, сравнительно небольшое сопротивление n— и р-областей.

Нелинейное сопротивление R_НЛ при прямом напряжении равно R_ПР, т.е. невелико, а при обратном – R_НЛ = R_ОБР, т.е. очень большое. Эта схема в различных частных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление велико и им можно пренебречь. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀ и R_ПР (рис. 4.3,б), а при обратном напряжении – только сопротивление R_ОБР, т.к. R₀

Дата добавления: 2015-07-18 ; просмотров: 4375 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Полупроводниковые диоды, p-n-переход, виды пробоев, барьерная емкость, диффузионная емкость

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий 2 вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.2, а, б.

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа.

Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n ) сильно различаются. Слой полупроводника, имеющий большую концентрацию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концентрацию — базой.

Далее рассмотрим основные элементы диода (p-n-переход и невыпрямляющий контакт металл-полупроводник), физические явления, лежащие в основе работы диода, а также важные понятия, использующиеся для описания диода.

Глубокое понимание физических явлений и владение указанными понятиями необходимо не только для того, чтобы правильно выбирать конкретные типы диодов и определять режимы работы соответствующих схем, выполняя традиционные расчеты по той или иной методике.

В связи с быстрым внедрением в практику инженерной работы современных систем схемотехнического моделирования эти явления и понятия приходится постоянно иметь в виду при выполнении математического моделирования.

Системы моделирования быстро совершенствуются, и математические модели элементов электронных схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» физические явления. Это делает весьма желательным постоянное углубление знаний в описываемой области и необходимым понимание основных физических явлений, а также использование соответствующих основных понятий.

Приведенное ниже описание основных явлений и понятий, кроме прочего, должно подготовить читателя к систематическому изучению вопросов математического моделирования электронных схем.

Рассматриваемые ниже явления и понятия необходимо знать при изучении не только диода, но и других приборов.

Структура p-n-перехода.

Вначале рассмотрим изолированные друг от друга слои полупроводника (рис. 1.3).

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.4).

В отечественной литературе по электронике уровни зонных диаграмм и разности этих уровней часто характеризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя их в вольтах, например, указывают, что ширина запрещенной зоны ф₅ для кремния равна 1,11 В.

В то же время зарубежные системы схемотехнического моделирования реализуют тот подход, что указанные уровни и разности уровней характеризуются той или иной энергией и измеряются в электрон-вольтах (эВ), например, в ответ на запрос такой системы о ширине запрещенной зоны в случае кремниевого диода вводится величина 1,11 эВ.

В данной работе используется подход, принятый в отечественной литературе.

Теперь рассмотрим контактирующие слои полупроводника (рис. 1.5).

В контактирующих слоях полупроводника имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n (существует градиент концентрации дырок). Аналогичная причина обеспечивает диффузию электронов из слоя n в слой p.

Диффузия дырок из слоя p в слой n, во-первых, уменьшает их концентрацию в приграничной области слоя p и, во-вторых, уменьшает концентрацию свободных электронов в приграничной области слоя n вследствие рекомбинации. Подобные результаты имеет и диффузия электронов из слоя n в слой p. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление.

В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному, обусловленному градиентом концентрации. В несимметричном p-n-переходе более протяженным является заряд в слое с меньшей концентрацией примеси, т. е. в базе.

Изобразим зонную диаграмму для контактирующих слоев (рис. 1.6), учитывая, что уровень Ферми для них является единым.

Рассмотрение структуры p-n-перехода и изучение зонной диаграммы (рис. 1.6) показывают, что в области перехода возникает потенциальный барьер. Для кремния высота Аф потенциального барьера примерно равна 0,75 В.

Примем условие, что потенциал некоторой удаленной от перехода точки в слое p равен нулю. Построим график зависимости потенциала Ф от координаты x соответствующей точки (рис. 1.7). Как видно из рисунка, значение координаты x = 0 соответствует границе слоев полупроводника.

Важно отметить, что представленные выше зонные диаграммы и график для потенциала Ф (рис. 1.7) строго соответствуют подходу, используемому в литературе по физике полупроводников, согласно которому потенциал определяется для электрона, имеющего отрицательный заряд.

В электротехнике и электронике потенциал определяют как работу, совершаемую силами поля по переносу единичного положительного заряда.

Построим график зависимости потенциала Фэ, определяемого на основе электротехнического подхода, от координаты x (рис. 1.8).

Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем опускать и использовать только электротехнический подход (за исключением зонных диаграмм).

Прямое и обратное включение p-n-перехода. Идеализированное математическое описание характеристики перехода.

Обозначим через u напряжение на p-n-переходе, а через i — ток перехода (рис. 1.13).

Т — абсолютная температура, К;

φт— температурный потенциал, при температуре 20°С (эта температура называется комнатной в отечественной литературе) φт = 0,025 В, при температуре 27°С (эта температура называется комнатной в зарубежной литературе) φт = 0,026 В.

Полезно отметить, что, как следует из приведенного выше выражения, чем меньше ток i_s, тем больше напряжение u при заданном положительном (прямом) токе. Учитывая, что ток насыщения кремниевых ( Si ) переходов обычно меньше тока насыщения германиевых ( Ge) переходов, изобразим соответствующие вольтамперные характеристики (рис. 1.15).

Пробой p-n-перехода.

После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока.

В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным).

Изобразим соответствующий участок вольтамперной характеристики p-n-перехода (рис. 1.16).

В основе пробоя p-n-перехода лежат три физических явления:·-туннельного пробоя p-n-перехода (эффект, явление Зенера);

— лавинного пробоя p — n-перехода;·

Термин «пробой» используется для описания всей совокупности физических явлений и каждого отдельного явления.

И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Туннельный пробой.

Его называют также зенеровским пробоем по фамилии (Zener) ученого, впервые описавшего соответствующее явление в однородном материале. Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процессы при пробое перехода, в основе которых лежал лавинный пробой.

В иностранной литературе до сих пор называют диодами Зенера стабилитроны (диоды, работающие в режиме пробоя) независимо от того, используется туннельный или лавинный пробой.

Напряжение, при котором начинается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяснения механизма туннельного пробоя схематически изобразим соответствующую зонную диаграмму p-n-перехода (рис. 1.17).

Если геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина, толщина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект — явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в p — n-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.

Лавинный пробой.

Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах, схематично явление лавинного пробоя изобразим на рис. 1.18.

Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление).

Тепловой пробой.

После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (соответствующий полупроводниковый прибор выходит из строя).

Явление изменения нескомпенсированных объемных зарядов в области p-n-перехода.

Барьерная емкость.

Как уже отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок через p-n-переход в области перехода возникают нескомпенсированные объемные (пространственные) заряды ионизированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока.

Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое в свою очередь самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т. е. на процесс протекания тока.

При увеличении обратного напряжения область пространственных зарядов (главным образом за счет базы) и величина заряда в каждом слое (p и n) полупроводника увеличиваются. Это увеличение происходит непропорционально: при большом по модулю обратном напряжении заряд увеличивается при увеличении модуля напряжения медленнее, чем при малом по модулю обратном напряжении.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.19), где используем обозначения:

Q — пространственный заряд в слое n полупроводника;

В практике математического моделирования (и при ручных расчетах) удобно и поэтому принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. На практике широко используют так называемую барьерную емкость С_6арp-n-перехода, причем по определению С_6ар = | dQ / du | Изобразим графики для Q (рис. 1.20) и C бар (рис. 1.21).

Явление возникновения и изменения объемного заряда неравновесных носителей электричества. Диффузионная емкость.

Если напряжение внешнего источника напряжения смещает p-n-переход в прямом направлении (u> 0), то начинается инжекция (эмиссия) — поступление неосновных носителей электричества в рассматриваемый слой полупроводника. В случае несимметричного p-n-перехода (что обычно бывает на практике) основную роль играет инжекция из эмиттера в базу.

В соответствии с этим поступивший в базу заряд дырок будет практически мгновенно нейтрализован таким же по модулю зарядом электронов.

Q — объемный заряд неравновесных носителей в базе;

f — функция, описывающая зависимость Q от u.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.22).

В соответствии с изложенным Q = f( u ) На практике удобно и принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. При этом используют понятие диффузионной емкости C диф p-n-перехода, причем по определению C диф = dQ / du Емкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе.

Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.23, а). В свою очередь ток i экспоненциально зависит от напряжения u (соответствующее выражение приведено выше), поэтому производная di / du также прямо пропорциональна току (для экспоненциальной функции ее производная тем больше, чем больше значение функции). Отсюда следует, что емкость С_диф прямо пропорциональна току i (рис.1.23,6):

Cдиф=i·τ/φт где φт — температурный потенциал (определен выше);

τ — среднее время пролета (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).

Среднее время пролета — это время, за которое инжектируемые носители электричества проходят базу, а время жизни — время от инжекции носителя электричества в базу до рекомбинации.

Общая емкость p-n-перехода.

Эта емкость С_пер равна сумме рассмотренных емкостей, т. е. С_пер = С_бар + С_диф.

При обратном смещении перехода ( u

Как следует из диаграммы, энергетические уровни в полупроводнике, соответствующие зоне проводимости, заполнены меньше, чем в металле. Поэтому после соединения металла и полупроводника часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Это приведет к увеличению концентрации электронов в полупроводнике типа n.

Таким образом, проводимость полупроводника в области контакта окажется повышенной и слой, обедненный свободными носителями, будет отсутствовать. Указанное явление оказывается причиной того, что контакт будет невыпрямляющим. Для получения невыпрямляющего контакта металл-полупроводник p-типа необходимо выполнение условия φмп> 0

Источник

Емкости полупроводникового диода

а при переменном напряжении:

C_б = ∆Q_обр/∆U_обр = , (3.3)

где C_бо – равновесное значение барьерной емкостии0.3

Модели диодов

Нелинейная модель диода для большого сигнала показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3 Нелинейная модель диода

Эта модель содержит уравнения (3.1) для генератора тока I и (3.3), (3.4) для нелинейной емкости C диода.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его малосигнальную эквива­лентную схему для переменного тока (рис. 3.4, а). Сопротивление R₀ в этой схеме представляет собой суммарное, сравнительно небольшое сопротивление п- и р-областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротив­ление R_НJ1 при прямом напряжении равно R_np, т. е. невелико, а при обратном напряжении R_НЛ = R_обр, т. е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частных случаях может быть упрощена.

Рис. 3.4. Полная и упрощенные линейные эквивалентные схемы диода

На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и можно емкость не учитывать. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротив­ления R₀ и R_up (рис. 3.4,б), а при обратном напряжении — только сопротив­ление R_о6р, так как R₀ « R_a6p (рис. 3.4,в).

А на высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис. 3.4,г (если частота не очень высокая, то С_ДИФ практически не влияет), а при обратном остаются R_o6p и С_б (рис. 3.4,д).

Следует иметь в виду, что существует еще емкость С_В между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Она показана на рисунке штрихами. На СВЧ может также оказывать влияние индуктивность выводов L.

Источник