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.