Полупроводниковыми диодами

Полупроводниковые диоды
на основе p - n - переходов и
барьеров Шоттки
Доклад выполнили:
Студенты гр. 21305, Гончарова Е. Е., Зинько М. В.
◊Введение
Полупроводниковыми диодами называются
двухэлектродные полупроводниковые приборы с
одним выпрямляющим электрическим переходом, в
роли которого может выступать p — n - переход,
гетеропереход или выпрямляющий контакт
полупроводника с металлом (барьер Шоттки). В
зависимости от внутренней структуры, типа,
количества и уровня легирования внутренних
элементов диода и вольт - амперной характеристики
свойства полупроводниковых диодов бывают
различными. Основу выпрямительного диода
составляет обычный электронно-дырочный переход.
◊Электронные процессы
U=0
U<0 (обратное включение)
U>0 (прямое включение)
Для изготовления p – n - перехода чаще всего используют сплавление
и диффузию (см.рисунок).
Сплавная технология используется, как правило, для дешевых диодов
малой и средней мощности. Основное распространение получила
диффузионная технология. Для изготовлении планарных диодов в
интегральных схемах используется диффузия сквозь окна в слое
окисла кремния (SiO2 ).
◊ВАХ идеального диода
ВАХ диода имеет ярко выраженную
нелинейность, приведенную на
рисунке. В прямом смещении ток
диода инжекционный, большой
по величине и представляет
собой диффузионную
компоненту тока основных
носителей.
При обратном смещении ток диода
маленький по величине и
представляет собой дрейфовую
компоненту тока неосновных
носителей.
◊Уравнение ВАХ
Данная нелинейная ВАХ описывается
следующим уравнением:
J  J s (e
 VG
 1)
В состоянии равновесия суммарный ток,
обусловленный диффузионными и
дрейфовыми токами электронов и дырок,
равен нулю.
j pE  j nD  j nE  j pD  0
◊Выпрямление в диоде
Одним из главных свойств полупроводникового диода на
основе p-n перехода является резкая асимметрия ВАХ:
высокая проводимость при прямом смещении и низкая
при обратном. Это свойство диода используется в
выпрямительных диодах. На рисунке приведена схема,
иллюстрирующая выпрямление переменного тока в
диоде.
◊Коэффициент выпрямления ИД
J
e VG  1
K     VG
J
e
 1 , где β=q/kT
Как следует из соотношения, при значениях переменного
напряжения, модуль которого Vg меньше, чем тепловой
потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет
переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает
приемлемых величин при значениях Vg по крайней мере
в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при
комнатной температуре (Т = 300 К) соответствует
значению напряжения Vg =  0,1 В.
◊Характеристическое сопротивление rD
Различают два вида характеристического сопротивления
диодов: дифференциальное сопротивление rD и
сопротивление
по
постоянному
току
R D.
Дифференциальное сопротивление определяется как
1
dU  dI 
kT / q
1
V
rD 



j
e

j

j


(
I

I
)


s
s
s
s 
dI  dU 
I  Is
На прямом участке вольт - амперной характеристики диода
дифференциальное сопротивление rD невелико и
составляет значение несколько Ом. На обратном участке
вольт
амперной
характеристики
диода
дифференциальное сопротивление rD стремится к
бесконечности, поскольку в идеальных диодах при
обратном смещении ток не зависит от напряжения.
◊Характеристическое сопротивление RD
Сопротивление по постоянному току RD
определяется как отношение приложенного
напряжения Vg к протекающему току I через
диод:
U
U
RD 

I
I 0 (e U  1)
На прямом участке вольт - амперной характеристики
сопротивление по постоянному току больше, чем
дифференциальное сопротивление RD > rD, а на
обратном участке - меньше RD < rD. В точке вблизи
нулевого значения напряжения Vg << kT/q
значения сопротивления по постоянному току и
дифференциального сопротивления совпадают.
◊Эквивалентная схема диода
С учетом полученных дифференциальных параметров можно
построить эквивалентную малосигнальную схему диода для
низких частот. В этом случае наряду с уже описанными
элементами - дифференциальным сопротивлением и емкостями
диода
необходимо
учесть
омическое
сопротивление
квазинейтрального объема базы (rоб) диода. Сопротивление
квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать,
поскольку в диодах эмиттер обычно легирован существенно более
сильно, чем база.
●Диоды Шоттки
Полупроводниковый диод, выполненный на основе контакта
металл — полупроводник; назван в честь немецкого учёного
В. Шоттки, создавшего в 1938—39 основы теории таких
диодов.
При изготовлении таких диодов на очищенную поверхность
полупроводникового кристалла (Si, GaAs, реже Ge) наносят
тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами
вакуумного испарения, катодного распыления либо
химического или электролитического осаждения. В ДШ (в
приконтактной области полупроводника), как и в диодах с
электронно-дырочным переходом (в области этого
перехода), возникает потенциальный барьер, изменение
высоты которого под действием внешнего напряжения
приводит к изменению тока через прибор. Ток через
контакт металл — полупроводник, в отличие от тока через
электронно-дырочный переход, обусловлен только
основными носителями заряда.
●Условие возникновения барьера
Шоттки
Фме > Фп/п
Согласно уравнению Ричардсона:
Ф
j T  AT exp(  )
kT
2
Jме < Jп/п
●Зонная диаграмма образования БШ
●ВАХ барьера Шоттки
Ток из полупроводника в металл:
Jп/п = ¼ qnsυоexp(β Vg ), где
ns  ns e
  ms
 8kT 
0    
 m 
1
2
Ток из металла в полупроводник:
j М п
п
1
 qn s 0
4
Следовательно, ВАХ барьера Шоттки будет иметь вид:
J  J 0 (e
VG
 1);
1
J 0  qns o
4
●Достоинства
- В то время, как обычные кремниевые диоды имеют
прямое падение напряжения около 0,6—0,7 В.,
применение диодов Шоттки позволяет снизить это
значение до 0,2—0,4 В.
- Барьер Шоттки имеет меньшую электрическую
ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить
рабочую частоту.
- Благодаря лучшим временным характеристикам и
малым ёмкостям перехода, выпрямители на диодах
Шоттки отличаются от традиционных диодных
выпрямителей пониженным уровнем помех, поэтому
они предпочтительны в традиционных
трансформаторных блоках питания аналоговой
аппаратуры.
●Недостатки
-
-
При кратковременном превышении
максимального обратного напряжения диод
Шоттки необратимо выходит из строя, в
отличие от кремниевых диодов, которые
переходят в режим обратного пробоя.
Характеризуются повышенными
(относительно обычных кремниевых диодов)
обратными токами, возрастающими с
ростом температуры кристалла.