Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал об электронно-дырочном p-n-переходе, его структуре и принципе работы. Сегодняшняя статья посвящена простейшим приборам – диодам, в основе которых лежит p-n-переход.

Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, созданный на основе p-n-структуры, состоящей из областей p- и n-типа, между которыми создан электронно-дырочный переход. Одна из областей p-n-структуры, называемая анодом, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая катодом.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Как устроен полупроводниковый диод?

Анод и катод диода соединяются с выводами прибора при помощи омических переходов. Основным структурным элементом, от которого зависят свойства диода, является тонкий промежуточный слой между p- и n-областями и называемый p-n-переходом, который рассмотрен в предыдущей статье.

Существует несколько технологий производства полупроводниковых элементов и диодов, в частности. Наиболее прогрессивная называется эпитаксиально-планарная технология. Согласно данной технологии на вход поступает подложка из полупроводникового материала с высоким сопротивлением, на которую наращивают катод из низкоомного кремневого слоя повторяющий структуру подложки. Катодный слой называется эпитаксиальным, его покрывают защитной плёнкой из двуокиси кремния SiO₂ толщиной до 1 мкм. В данной защитной плёнке фотолитографическим способом протравливаются окна, через которое путём диффузии примесей создаётся p-n-переход, выход которого на поверхность оказывается сразу же надёжно закрыт оксидной плёнкой.

Полупроводниковый диод: устройство (слева) и условное обозначение (справа).

Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода показана ниже, она несколько отличается от теоретической p-n-перехода из предыдущей статьи

Вольт-амперная характеристика диода: теоретическая и реальная.

При небольшой величине токов теоретическая и реальная характеристика диода совпадают. Но при прохождении через диод большого тока или прикладывании высокого обратного напряжения вольт-амперные характеристики расходятся. Это происходит из-за того, что при данных условиях на распределённом сопротивлении катода, омических контактах и сопротивлении выводов диода происходит падение некоторой величины напряжения. Это приводит к тому, что на p-n-переходе напряжение будет меньше, чем приложенное к диоду в целом. Поэтому уравнение вольт-амперной характеристики диода в области больших токов и высоких обратных напряжений можно определить следующим образом

где I₀ – обратный ток p-n-перехода при достаточно высоком обратном напряжении,

φ_Т – температурный потенциал,

r_K – электрическое сопротивление катода и выводов диода.

При подаче на диод достаточно высокого обратного напряжения U_обр обратный ток диода I_обр не будет равным току экстракции I₀, а будет немного выше. Этому способствует ряд факторов:

— при повышении обратного напряжения из-за увеличения p-n-перехода увеличивается его объём и, как следствие, возрастает число генерируемых в переходе носителей заряда и термоток I_T в переходе возрастает;

— из-за наличия на поверхности p-n-перехода молекулярных и ионных плёнок, которые имеют собственную проводимость. Из-за нестабильности структуры данной поверхности, подверженной влиянию окружающей среды поверхностный ток утечки I_У является нестабильным, что приводит к непостоянству характеристик диода.

Таким образом, обратный ток диода будет являться суммой токов: экстракции I₀, термотока I_T и тока утечки I_У.

Дифференциальные параметры диодов

Дифференциальные параметры полупроводникового диода позволяют оценить его качественные характеристики. Они связывают изменения тока с изменениями других независимых величин. Кроме диодов дифференциальные параметры имеют и другие полупроводниковые приборы.

Ток в полупроводниковом диоде является функцией двух независимы величин – напряжения U и температуры Т

Таким образом изменение тока через диод при изменении напряжения, приложенного к нему и изменение его температуры можно записать в виде дифференциального выражения

Используя частные производные данного выражения, то есть принимая один из аргументов за постоянную (dU = const или dT = const) можно получить дифференциальные параметры диода.

К основным дифференциальным параметрам относятся:

Дифференциальное сопротивление диода R_ДИФ и его обратная величина – дифференциальная крутизна вольт-амперной характеристики диода (прямая проводимость) S при постоянной температуре (dT = const)

показывает, как изменится ток через диод при изменении приложенного напряжения.

Дифференциальная температурная чувствительность тока диода S_I(T), показывает, как изменится протекающий через диод ток I при изменении температуры T, при постоянном напряжении на диоде (dU = const)

Дифференциальная температурная чувствительность напряжения диода S_U(T), показывает, как изменится падение напряжения U на диоде при изменении температуры T, при постоянном протекающем токе (dI = const)

Изменяющиеся параметры (ток, напряжение и температура) снимают с вольт-амперных характеристик диода, определяемых в нескольких точках.

Пример расчёта дифференциальных параметров диода

В качестве примера определим дифференциальные параметры диода типа КД257 вольт-амперная характеристика, которого представлена ниже

.

По вольт-амперной характеристике диода КД257 определить для рабочей точки U_ПР = 1 В при Т = 25 ℃ дифференциальные параметры. Для этого заменяем бесконечно малые приращения в формулах их конечными приращениями U = 0.9 – 1.1 T = 155 – 25.

Дифференциальное сопротивление r_диф и крутизна характеристики диода S

Дифференциальная температурная чувствительность тока диода S_I(T),

Дифференциальная температурная чувствительность напряжения диода S_U(T)

Дифференциальные параметры полупроводникового диода характеризуют его только в конкретной точке, а при изменении режима работы их значение может значительно различаться.

Пробой диода и его виды

При подаче на диод обратного напряжения выше определённого значения, ток через него начинает резко увеличиваться. Данное явление называют пробоем диода, который может быть обратимый и необратимый. Необратимый пробой сопровождается выходом диода из строя и происходит лишь в том случае, когда происходит чрезмерный перегрев диода и возникают необратимые изменения в его структуре. Значение напряжения, при котором происходит пробой диода зависит от его типа и может достигать сотен вольт.

Вольт-амперная характеристика изображающая пробой диода на обратной ветви: А — электрический пробой, Б – тепловой пробой.

Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода: электрический и тепловой.

При электрическом пробое возрастает количество носителей заряда в результате воздействия сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решётки. Так как скорость электронов, определяющая их энергию, зависит от напряжённости электрического поля, то для ударной ионизации необходима определённая величина этой напряжённости. В результате ионизации происходит лавинное размножение носителей заряда.

Напряжение пробоя U_Л зависит от материала, его удельного сопротивления ρ и типа перехода согласно эмпирического выражения

где постоянная a и показатель степени m имеют следующие значения

Материал и тип перехода	a	m
Германиевый n+-p-переход	52	0,6
Германиевый p+-n-переход	83	0.6
Кремниевый p+-n-переход	86	0,65
Кремниевый n+-p-переход	23	0,75

 

где выражение n⁺-p показывает, что концентрация носителей заряда в n-области выше чем в р-области.

При возрастании обратного напряжения U на диоде до величины напряжения пробоя U_л происходит резкое размножение носителей заряда и соответственно в p-n-переходе также происходит их рост, а соответственно значительно увеличивается электрический ток через переход. Таким образом наступает лавинный пробой, вольт-амперная характеристика которого изображена на рисунке выше, ветвь А.

Электрическое поле влияет на пробой диода следующим образом: энергия электрического поля повышает энергию валентных электронов, что приводит к облегчению их перекидывания в зону проводимости. При больших напряжённостях электрического поля в диоде (выше 200 кВ/см) начинает происходить прямой переход электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области без изменения энергии электрона. Такое явления называется туннельным пробоем.

Температурная характеристика диода

Возникновение теплового пробоя полупроводникового диода обусловлено перегревом p-n-перехода, протекающим через него током при недостаточном теплоотводе. Подводимая к переходу мощность в режиме постоянного тока определяется формулой

где U_обр – обратное напряжение на диоде,

I_обр – обратный ток, протекающий через диод.

Данная мощность идет на повышение температуры перехода, при этом увеличивается концентрация носителей заряда в p-n-структуре и обратный ток диода, что ещё больше увеличивает подводимую мощность и температуру перехода и так далее.

Тепло, которое выделяется в переходе рассеивается в основном за счёт теплопроводности, поэтому отводимая от перехода мощность определяется в соответствии со следующим выражением

где Т_пер – температура перехода,

Т_окр – температура окружающей среды,

R_T – тепловое сопротивление диода.

Тепловое сопротивление диода показывает какой перепад температур необходим для отвода 1 Вт мощности. Тепловое сопротивление диода уменьшается при увеличении теплопроводности материала λ и площади с которой отводится тепло S_T и уменьшении толщины слоя δ_Т, проводящего тепло

Так у германия коэффициент теплопроводности составляет 0,52 Вт/(см*℃), а у кремния – 2,19 Вт/(см*℃).

Рост температуры диода будет продолжаться до тех пор, пока не сравняются подводимая к диоду мощность и отводимая от него

При достаточно высоком обратном напряжении U_обр мощность, подводимая к переходу, также вырастает, величина отводимой мощности для конкретного прибора имеет определённое значение без ущерба для его работы. При этом условии тепловой режим перехода теряет устойчивость, температура и ток соответственно вырастают до высоких значений, возникает тепловой пробой. Вольт-амперная характеристика теплового пробоя на обратной ветви изображена на рисунке выше, ветвь Б.

Величину максимально допустимого обратного напряжения U_{обр max} определяется выражением

Таким образом, чем выше максимально допустимая температура Т_{n max} p-n-перехода и чем меньше температура окружающей среды Т_окр, тепловое сопротивление R_T, обратный ток диода I_обр, тем выше максимальное обратное напряжение диода U_{обр max}.