Андреевская Т.М. Полный курс основы аналоговой схемотехники

Подождите немного. Документ загружается.

Различают три вида пробоя p-n-перехода:

I. Туннельный пробой (А-Б),

II. Лавинный пробой (Б-В),

III. Тепловой пробой (за т.В).

Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе),

когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого

барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ

идет перпендикулярно оси напряжений вниз.

Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с

нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для

ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит

лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители,

они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими

удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.

Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате

недостаточного теплоотвода.

Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового

пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода.

Напряжения и токи в p-n-переходах зависят от параметров перехода и его температуры.

1.2.4. Емкость p-n-перехода

Общая емкость p-n-перехода измеряется между выводами кристалла при заданных постоянном

напряжении (смещении) и частоте гармонического напряжения, прикладываемых к переходу. Она

складывается из барьерной, диффузионной емкостей и емкости корпуса кристалла:

С = С

бар

+ С

диф

+ С

корп

Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных

атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Эти объемные заряды

неподвижны и не участвуют в процессе протекания тока. Они и создают электрическое поле

перехода.

При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда и сам заряд

увеличиваются, причем это увеличение происходит непропорционально.

Барьерная емкость определяется как

и равна

где S

пер

– площадь перехода.

Барьерная емкость составляет десятки - сотни пикофарад.

Диффузионная емкость обусловлена изменением величины объемного заряда, вызванного

изменением прямого напряжения и инжекцией неосновных носителей в рассматриваемый слой. В

результате в n-базе возникает объемный заряд дырок, который практически мгновенно (за несколько

наносекунд) компенсируется зарядом собственных подошедших к дыркам электронов.

Диффузионную емкость часто выражают как линейную функцию тока, учитывая экспоненциальный

характер ВАХ. При этом

где - время жизни носителей для толстой базы или среднее время пролета для тонкой базы.

Рис. 1.6

Диффузионная емкость составляет сотни – тысячи пикофарад.

При прямом напряжении на переходе общая емкость определяется в основном диффузионной

емкостью, а при обратном напряжении – барьерной. Общий вид зависимости емкости перехода от

напряжения на нем показан на рис. 1.6. Эту зависимость называют вольт – фарадной

характеристикой перехода.

2. Полупроводниковые диоды:

2.1. Характеристики и параметры.

2.1.1. Общие сведения

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с

одним p-n-переходом и двумя невыпрямляющими контактами металл-полупроводник. В качестве

полупроводникового материала используют германий, кремний, арсенид галлия. Условная

структура (а) и общее обозначение (б) полупроводниковых диодов показаны на рис.2.1.

Рис. 2.1

На рисунке показаны направления прямых тока и напряжения. Большинство полупроводниковых

диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. Низкоомную р –область называют

эмиттером (или анодом по аналогии с электровакуумными диодами), высокоомную n –область –

базой (или катодом). Прямое направление тока - от эмиттера к базе.

Различие в концентрации основных носителей заряда сказывается и на расположении p-n -перехода

на границе. Ширина p-n-перехода в эмиттере меньше, чем в базе, т.е. p-n-переход почти целиком

располагается в базе.

В зависимости от технологических процессов, использованных при изготовлении, различают

точечные диоды, сплавные и микросплавные, диоды с диффузионной базой, эпитаксиальные,

мезадиоды и др.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные,

смесительные, детекторные, модуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны,

туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна, диоды Шоттки и др.

2.1.2. Характеристики и параметры

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) диода определяет зависимость тока,

протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения.

ВАХ идеального p-n-перехода определяется соотношением (2.1):

(2.1)

Однако в реальных диодах ВАХ отличаются от (2.1), что объясняется тем, что, во-первых, для

разных типов материалов полупроводникового кристалла обратный ток насыщения сильно зависит

от температуры; во-вторых, при большом обратном напряжении, при котором измеряется ток

насыщения, наблюдается термогенерация носителей непосредственно в области перехода; в-

третьих, в реальных диодах наблюдаются поверхностные утечки тока (дополнительные

проводимости); в-четвертых, при анализе процессов в p-n -переходе не учитываются ни размеры

кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу.

Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется

сопротивлением r

, приводит к тому, что прямая ветвь диода идет ниже, чем у идеального p-n -

перехода.

В реальных диодах необходимо оценивать все эти явления и учитывать, что обратный ток диода

складывается из теплового тока, тока термогенерации и тока утечки. В германиевых диодах

основную роль играет тепловой ток, который удваивается при увеличении температуры

окружающей среды на каждые 7…10

С. Соизмерим с ним и ток утечки, но последний мало зависит

от температуры, но зависит от величины обратного напряжения. В кремниевых диодах тепловой

ток удваивается на каждые 8…12

С, но он на 6…7 порядков ниже, чем у германиевых диодов.

Основными составляющими обратного тока кремниевого диода являются токи термогенерации и

утечки, поэтому обратный ток кремниевых диодов отличается от обратного тока германиевых

диодов всего на 1,5…2 порядка, и в обоих диодах он не остается постоянным при изменении

обратного напряжения, а медленно возрастает при его увеличении.

При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на

сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2…10 мА.

Кроме того, прямая ветвь ВАХ отклоняется от идеальной из-за наличия токов рекомбинации в p-n-

переходе, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей.

С учетом падения напряжения на базе уравнение прямой ветви может быть представлено в виде

(2.2)

Обычно напряжение на реальном диоде на доли вольта больше, чем в идеальном.

Для оценки ВАХ реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют

обратный ток I

обр

, который измеряют при определенном значении обратного напряжения. В

паспортных данных обычно для каждого вида диода указывается максимально допустимое

значение обратного тока.

Диоды характеризуются достаточно большим числом параметров. Общими практически для всех

типов являются следующие:

пр,макс

– максимально допустимый постоянный прямой ток;

пр

– постоянное прямое напряжение, соответствующие заданному току;

обр,макс

– модуль максимально допустимого обратного напряжения;

обр,макс

– максимально допустимый постоянный обратный ток;

диф

– дифференциальное сопротивление диода в заданном режиме работы.

2.2.1. "Идеальный" диод

Представление реального диода в виде «идеального диода» равносильно модели идеального

вентиля: полностью открыт (прямое включение), полностью закрыт (обратное включение). В

закрытом положении ток равен нулю при любом отрицательном напряжении на диоде, в открытом

положении напряжение равно нулю при любом токе. Таким образом дифференциальные

сопротивления в закрытом и открытом состоянии равны соответственно бесконечности и нулю. На

рис.2.2. представлены ВАХ «идеального диода»(жирно) и его схемы замещения в открытом и

закрытом состяниях.

Рис. 2.2

Такое представление реального диода часто удобно использовать для анализа схем выпрямителей с

большими значениями амплитуд выпрямляемых напряжений, когда нелинейностью начального

участка прямой ветви ВАХ и наличием небольшого обратного тока можно пренебречь.

Рассмотрим пример работы простейшей выпрямительной схемы с «идеальным диодом» при

гармоническом входном напряжении и нулевом постоянном смещении (Рис.2.3). Величина

сопротивления нагрузки R , с которого снимается выпрямленное напряжение, значительно больше

дифференциального сопротивления в открытом состоянии реального диода, и меньше

дифференциального сопротивления закрытого перехода.

Рис. 2.3

Пусть , причем амплитуда Е

такова, что можно использовать модель «идеального

диода». При положительных значениях входного напряжения диод обладает нулевым

дифференциальным сопротивлением, и ток в цепи равен

а при отрицательных значениях е(t) ток равен нулю. Осциллограммы тока и напряжений в схеме

показаны на рис.2.4.

Рис. 2.4

Поскольку напряжение на нагрузке R несинусоидально, его можно разложить в ряд Фурье по

гармоникам частоты входного напряжения. Выпрямленным напряжением является постоянная

составляющая напряжения u

(t) :

Из рисунка 2.4 видно, что напряжение на нагрузке отнюдь не постоянно, а пульсирует

относительно постоянного напряжения U

R,0

При наличии дополнительного постоянного напряжения Е

см

(смещение) изменится уровень

положительных и отрицательных напряжений на диоде, т.к. входное напряжение выпрямителя

будет равно

На рис.2.5 показаны осциллограммы тока и напряжений для отрицательного смещения. На рисунке

положительные уровни сигналов отмечены штриховкой.

Рис. 2.5

Как видим, обратное напряжение на диоде здесь увеличилось на величину смещения, а

выпрямленное напряжение уменьшилось не только за счет уменьшения амплитуды тока, но и за

счет уменьшения длительности импульсов тока.

В данной схеме выпрямителя выходное напряжение не постоянно, а имеет форму усеченных

косинусоидальных импульсов, что свидетельствует о наличии в спектре тока и напряжения

гармоник частоты выпрямляемого напряжения. Для уменьшения амплитуды гармоник на нагрузке

выпрямителя ставят специальные фильтры нижних частот. Простейшим вариантом такого фильтра

является параллельная цепочка RC вместо одного сопротивления R (см.рис.2.6).

Рис. 2.6

Величину емкости определяют исходя из заданного коэффициента подавления амплитуды первой

гармоники, как наибольшей в спектре тока или из неравенства:

При выполнении этого неравенства постоянная составляющая тока протекает через резистор R , а

все переменные составляющие – через конденсатор С , так как его сопротивление переменным

токам будет значительно меньше сопротивления резистора.

Можно рассмотреть работу выпрямителя и во временной области. Осциллограммы токов и

напряжений в установившемся режиме показаны на рис. 2.7, причем входное и выходное

напряжения здесь совмещены на одном графике.

Рис. 2.7

Напряжение на диоде определяется разностью входного и выходного напряжений:

Напряжение же на выходе можно представить в виде процессов заряда и разряда конденсатора С .

При положительных напряжениях на диоде сопротивление последнего равно нулю (или мало в

реальном диоде в прямом режиме) конденсатор быстро (практически мгновенно) заряжается до

напряжения, примерно равному е(t

); в следующие моменты времени напряжение на диоде

становится отрицательным, диод закрывается, и емкость медленно разряжается через

сопротивление R достаточно большой величины. При правильном выборе С и R постоянная

времени разряда емкости значительно больше постоянной времени заряда, так что при разряде

напряжение на выходе почти не меняется. В установившемся режиме выходное напряжение

колеблется около некоторого среднего значения U

вых,0

, близком по величине к амплитуде входного

напряжения. Пульсации выпрямленного напряжения здесь значительно меньшие, чем в схеме без

конденсатора.

2.2.2. Кусочно-линейная модель диода

Данная модель основана на конечных значениях дифференциальных сопротивлений прямой и

обратной ветвей ВАХ диода. На рис.2.8. показано графическое определение параметров кусочно-

линейной модели для заданных точек (А

,А

) прямой и обратной ветвей.

Рис. 2.8

На прямой ветви через т.А

проводим касательную к ВАХ до пересечения с осью напряжений.

Точка пересечения определяет напряжение U

. дифференциальное сопротивление диода в точке А

определяется как

Для обратной ветви через заданную точку А

проводят касательную к ветви до пересечения с осью

обратных токов. Точка пересечения дает значение обратного тока I

, дифференциальное

сопротивление обратной ветви, определенное в точке А

, равно

Эквивалентные схемы такой модели для прямой и обратной ветви ВАХ показаны на рис. 2.9 а, б

соответственно.

Рис. 2.9

При этом для прямой ветви , а для обратной

Применение модели для простейшей схемы диода с резистором в прямом режиме показано на

рис.2.10

Рис. 2.10

По второму закону Кирхгофа имеем

откуда

Аналогичные выкладки можно провести и для обратной ветви ВАХ.

2.2.3. Полная схема замещения диода

Для оценки частотных свойств диода следуeт учитывать общую емкость диода С

, являющуюся

суммой барьерной и диффузионной емкостей, а также сопротивления контактов. На рис. 2.11

приведена такая модель.

Рис. 2.11

Здесь R

– нелинейное сопротивление перехода, С

бар

– и С

диф

- нелинейные барьерная и

диффузионная емкости перехода, R – сопротивления контактов. Наличие сопротивлений контактов

сказывается на виде ВАХ в области прямых напряжений: характеристика располагается ниже

прямой ветви ВАХ идеального p-n-перехода.

2.2.4. Полиномиальная аппроксимация участка ВАХ диода

Следует отметить, что полупроводниковая технология в отличие от электровакуумной позволяет

разрабатывать большое количество типов диодов с различными ВАХ. В ряде случаев для описания

ВАХ приходится использовать полиномиальную аппроксимацию рабочих участков ВАХ. Так для

диодов, работающих в схемах преобразования сигналов, таких как умножение частоты, модуляция,

перемножение сигналов и др., необходим квадратичный участок ВАХ, а в схемах автогенераторов с

использованием диодов с отрицательным дифференциальным сопротивлением – кубичный. В

общем виде полином, описывающий участок ВАХ, записывают для небольших приращений

относительно заданной точки на ВАХ, определяемой постоянным напряжением (смещением) на

переходе:

На рис. 2.12 показаны примеры ВАХ, где жирно выделены квадратичный (а) и кубичный участки

(б) в окрестности т. А.

Рис. 2.12

Использовать аппроксимационный полином можно и для больших диапазонов изменения

напряжений и токов, при этом степень полинома для аппроксимации ВАХ естественно будет

больше.

2.3.1. Виды и обозначение диодов

В зависимости от свойств и поведения ВАХ различают следующие виды диодов.

1) Выпрямительные диоды различных классов, отличающиеся напряжением, временем

переключения, рабочей полосой частот. ВАХ как у обычного p-n-перехода. Обозначение