ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Устройство и параметры диода

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.

устройство полупроводникового диода
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
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,

φТ – температурный потенциал,

rK – электрическое сопротивление катода и выводов диода.

При подаче на диод достаточно высокого обратного напряжения Uобр обратный ток диода Iобр 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 IT 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 IУ является нестабильным, что приводит к непостоянству характеристик диода.

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

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 RДИФ 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 SI(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 SU(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

 Вольт-амперная характеристика диода КД257.

По вольт-амперной характеристике диода КД257 определить для рабочей точки UПР = 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 rдиф и крутизна характеристики диода S

Дифференциальная температурная чувствительность тока диода SI(T),

Дифференциальная температурная чувствительность напряжения диода SU(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 диода
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 UЛ 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 Uл 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 Uобр – обратное напряжение на диоде,

Iобр – 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 Тпер – температура перехода,

Токр – температура окружающей среды,

RT – 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 ST и уменьшении толщины слоя δТ, 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 Uобр 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 Uобр max определяется выражением

Таким образом, чем выше максимально допустимая температура Тn max p-n-перехода и чем меньше температура окружающей среды Токр, тепловое сопротивление RT, обратный ток диода Iобр, тем выше максимальное обратное напряжение диода Uобр max.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ