Тепловой ток кремниевого диода

Характеристики и параметры полупроводникового диода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводнико­вого диода на постоянном токе (статическая характерис­тика). Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, при­ложенного к диоду (рис. 1.22). Вольт-амперной характе­ристикой называют и график этой зависимости.

Вначале предположим (см. рис. 1.22), что обратное на­пряжение (u > u, определяется выражением

Сразу после переключения ключа К и в течение времени рассасывания tрас протекает ток i2, который ограничивается практически только сопротивле­нием R, т.е.

В этот отрезок времени в базе диода уменьшается (рас­сасывается) заряд накопленных при протекании тока i1 неравновесных носителей. Заряд уменьшается в результате рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмит­тер.

По истечении времени tpаc концентрация неосновных носителей в базе на границе p-n-перехода становится рав­ной равновесной. В глубине же базы неравновесный за­ряд еще существует. Длительность времени рассасывания прямо пропорциональна среднему времени жизни не­основных носителей в базе и зависит от соотношения то­ков i1 и i2 (чем больше по модулю ток i2, тем меньше, при заданном токе i1, время рассасывания).

В момент времени t1 напряжение на диоде начинает быстро возрастать по модулю, а ток i уменьшаться по мо­дулю (спадать). Соответствующий интервал времени tсп называют временем спада. Время спада отсчитывают до того момента t2, которому соответствует достаточно малое (по модулю) значение тока i2. Время спада зависит от времени жизни носителей, а также от барьерной емкости диода и от сопротивления R схемы. Чем больше указанные емкость и сопротивление R, тем медленнее спадает ток.

Отрезок времени tвос = tрас + tсп называется временем восстановления (временем обратного восстановления).

После завершения переходного процесса (момент вре­мени t3) через диод течет ток iобр.уст – обратный ток в ус­тановившемся режиме (определяемый по статической вольт-амперной характеристике диода).

Параметры диодов. Для того, чтобы количественно оха­рактеризовать диоды, используют большое количество (измеряемое десятками) различных параметров. Некото­рые параметры характеризуют диоды самых различных подклассов. Другие же характеризуют специфические свойства диодов только конкретных подклассов.

Укажем наиболее широко используемые параметры, применяемые к диодам различных подклассов:

Iпр.макс – максимально допустимый постоянный пря­мой ток;

Uпр – постоянное прямое напряжение, соответствую­щее заданному току;

Uобр.макс – максимально допустимое обратное напряже­ние диода (положительная величина);

Iобр.макс – максимально допустимый постоянный об­ратный ток диода (положительная величина; если реаль­ный ток больше, чем Iобр.макс, то диод считается непригод­ным к использованию);

rдиф – дифференциальное сопротивление диода (при заданном режиме работы).

В настоящее время существуют диоды, предназначен­ные для работы в очень широком диапазоне токов и на­пряжений. Для наиболее мощных диодов Iпр.макс состав­ляет килоамперы, a Uобр.макс – киловольты.

Диод Шоттки

Дио́д Шо́ттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. В специальной литературе часто используется более полное название — Диод с барьером Шоттки.

В диодах Шоттки в качестве барьера Шоттки используется переход металл-полупроводник, в отличие от обычных диодов, где используется p-n-переход. Переход металл-полупроводник обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового p-n-перехода). К ним относятся: пониженное падение напряжения при прямом включении, высокий ток утечки, очень маленький заряд обратного восстановления. Последнее объясняется тем, что по сравнению с обычным p-n-переходом у таких диодов отсутствует диффузия, связанная с инжекцией неосновных носителей, то есть они работают только на основных носителях, а их быстродействие определяется только барьерной ёмкостью.

Диоды Шоттки изготавливаются обычно на основе кремния (Si) или арсенида галлия (GaAs), реже — на основе германия (Ge). Выбор металла для контакта с полупроводником определяет многие параметры диода Шоттки. В первую очередь — это величина контактной разности потенциалов, образующейся на границе металл-полупроводник. При использовании диода Шоттки в качестве детектора она определяет его чувствительность, а при использовании в смесителях — необходимую мощность гетеродина. Поэтому чаще всего используются металлы Ag, Au, Pt, Pd, W, которые наносятся на полупроводник и дают величину потенциального барьера 0,2…0,9 эВ.

Допустимое обратное напряжение выпускаемых диодов Шоттки ограничено 1200 вольтами (CSD05120 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяются в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц — нескольких десятков вольт.

Содержание

• 1 Свойства диодов Шоттки
• 2 Номенклатура диодов Шоттки
• 3 Примечания
• 4 Ссылки

Свойства диодов Шоттки [ править | править код ]

Номенклатура диодов Шоттки [ править | править код ]

Диоды Шоттки часто входят составные в современные дискретные полупроводниковые приборы:

• МОП-транзисторы со встроенным обратным диодом Шоттки (впервые выпущены компанией International Rectifier под торговой маркой FETKY в 1996) — основной компонент синхронных выпрямителей. В отличие от обычного МОП-транзистора, встроенный в прибор обратный диод которого отличается высоким прямым падением напряжения и посредственными временны́ми характеристиками (так как представляет собой обычный диод на p-n переходе, образуемый областями стока и подложкой, объединённой с истоком), использование обратного диода Шоттки позволяет строить силовые синхронные выпрямители с частотой преобразования в сотни килогерц и выше. Существуют приборы этого класса со встроенными драйверами затворов и устройствами управления синхронным выпрямлением.
• Так называемые ORing-диоды [3] и ORing-сборки — силовые диоды и диодные сборки, применяемые для объединения параллельных источников питания с общей нагрузкой в устройствах повышенной надёжности с резервированием по отказу питания (логическое ИЛИ по питанию). Отличаются особо низким, нормируемым прямым падением напряжения. Например, специализированный миниатюрный диод MBR140 ( 30 В, 1 А ) при токе 100 мА имеет прямое падение напряжения не более 360 мВ при +25 °C и 300 мВ при +85 °C. ORing-диоды характеризуются относительно большой площадью p-n-перехода и низкими плотностями тока.

Тепловой ток кремниевого диода

Отличие экспериментальной обратной ветви ВАХ диода от теоретической обусловлено наличием в реальном диоде не только диффузионного тока экстракции, но и дрейфового тока термогенерации, а также возможностью пробоя p-n-перехода. Ток термогенерации протекает вследствие выброса полем p-n-перехода подвижных носителей заряда, появляющихся в p-n-переходе в результате термогенерации. Так как при обратном напряжении электрическое поле существует только внутри p-n-перехода, то в токе термогенерации участвуют только те подвижные носители заряда, которые рождаются в самом p-n-переходе, т.е. внутри запирающего слоя. Поскольку количество генерируемых носителей зарядов в p-n-переходе пропорционально объему запирающего слоя, ширина которого пропорциональна , то при увеличении обратного напряжения ток термогенерации будет расти также по закону . Поэтому на ВАХ, снятой экспериментально, при увеличении Uобр до определенного значения наблюдается небольшой рост обратного тока. Возрастанию обратного тока способствуют также токи утечки.

В реальном диоде при некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем p-n-перехода. Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Для выпрямительных диодов наибольшее значение имеет тепловой пробой p-n-перехода, так как он приводит к выходу диода из строя. Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

Тепловой пробой диода обусловлен катастрофическим нарушением его теплового режима. Подводимая к p-n-переходу мощность P = Iобр Uобр расходуется на его нагрев. Образующиеся при этом одноименные носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к увеличению выделяемой мощности и дальнейшему разогреву перехода. При плохих условиях отвода тепла от кристалла процесс принимает лавинообразный характер и заканчивается разрушением кристалла, т.е. выходом диода из строя. Увеличение числа носителей зарядов при нагреве p-n-перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого при тепловом пробое на обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 1.2). Так как число носителей (а значит, и обратный ток, и выделяемая в переходе мощность) резко (по экспоненциальному закону) увеличиваются с увеличением температуры, то для исключения теплового пробоя температура p-n-перехода должна быть меньше допустимой температуры перехода , которая для германиевых диодов составляет (70-80)0С, а кремниевых – (120-150)0С. В маломощных диодах для этого достаточно выполнить условие . В мощных диодах кроме этого может потребоваться искусственное охлаждение. Величина является важнейшим параметром диода и приводится в соответствующих справочниках. С увеличением температуры возрастает обратный ток диода, и ухудшаются условия отвода тепла, поэтому с увеличением температуры величина заметно уменьшается.

При прямом включении выпрямительного диода отличия теоретической ВАХ от ВАХ, снятой экспериментально, в основном обусловлены сопротивлением R1 электронной и дырочной областей за пределами запирающего слоя. Если сопротивление запирающего слоя обозначить через Rзс, то кристалл полупроводника с запирающим слоем можно представить в виде последовательного соединения резисторов Rзс и R1 (рис. 1.3).

При прохождении прямого тока Iпр на сопротивлении R1 падает часть напряжения Uпр внешнего источника и на запирающем слое действует напряжение . В этом случае уравнение ВАХ может быть записано в следующем неявном виде:

Рис. 1.3. Упрощенная эквивалентная схема p-n-перехода

с распределенным сопротивлением полупроводника

Поскольку Uзс — максимально-допустимый прямой ток, при котором температура диода достигает ;

— максимально-допустимое обратное напряжение, при котором не происходит пробоя p-n-перехода диода, обычно ;

прямое и обратное сопротивления диода постоянному току, определяемые по его ВАХ (рис. 1.2) с использованием следующих соотношений:

Rд пр = Uпр1 / Iпр1; Rд обр = Uобр / Iобр;

прямое и обратное дифференциальные сопротивления диода (сопротивления переменному току), которые определяются из следующих соотношений:

r i .пр = ΔUпр / ΔIпр; r i. обр = ΔUобр / ΔIобр.

При этом значения приращений тока ΔI и напряжений ΔU определяются на линейном участке ВАХ в окрестности заданной точки Х (рис. 1.2). Из-за нелинейности ВАХ диода и обе эти величины зависят от рабочей точки, т.е. от величины постоянного напряжения, приложенного к диоду.

В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой , средней и большой мощности. Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом. Для рассеивания теплоты диоды средней мощности располагают на радиаторах охлаждения, для диодов большой мощности может потребоваться и искусственное охлаждение.

Так как допустимая плотность тока, проходящего через p-n-переход, не превышает 2А /1мм2 , то для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют p-n-переходы большой площади. Получающаяся при этом большая емкость p-n-перехода существенного влияния на работу выпрямительного диода не оказывает в связи с малыми рабочими частотами.

Характеристики и параметры выпрямительных диодов существенно зависят от полупроводникового материала, в первую очередь от ширины запрещенной зоны ΔW. На рис. 1.4 представлены вольт – амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Так как ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно (несколько порядков) меньше.

У германиевого диода на обратной ветви ВАХ имеется ярко выраженный участок насыщения, поскольку его обратный ток определяется током экстракции, который описывается уравнением (1.1). Обратный ток кремниевого диода монотонно возрастает с увеличением Uобр, так как у кремниевых диодов ток экстракции весьма мал и обратный ток определяется главным образом токами термогенерации и утечки.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения в диодах происходит пробой. Вследствие большого обратного тока у германиевых диодов наступает тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале возникает электрический пробой, который может перейти в тепловой пробой при слишком большом увеличении тока.

Прямой ток полупроводникового диода также зависит от ΔW, так как увеличение ΔW приводит к увеличению потенциального барьера в переходе и, следовательно, к уменьшению прямого тока. Сравнение германиевых и кремниевых диодов легко провести с помощью формулы (1.1): вследствие меньшего значения I0 для кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому при одних и тех же значениях Iпр, мощность, рассеиваемая германиевыми диодами, меньше чем кремниевыми. По этой же причине у германиевых диодов существенно меньше Uпор и ri пр.

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее термогенерация носителей зарядов, что приводит к увеличению как обратного, так и прямого тока диода, однако причины этого роста неодинаковы.

Обратный ток является током неосновных носителей зарядов, и увеличение их концентрации в результате усиления термогенерации непосредственно ведет к росту обратного тока. Прямой ток является током основных носителей зарядов, концентрация которых в рабочем диапазоне температур от температуры не зависит. Однако увеличение концентрации неосновных носителей зарядов при повышении температуры приводит к уменьшению высоты потенциального барьера перехода, что и вызывает увеличение прямого тока.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 100С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых – в 2,5 раза. Однако вследствие того, что при комнатной температуре обратный ток у германиевого диода значительно больше, чем у кремниевого, абсолютное значение приращения обратного тока у германиевого диода с ростом температуры оказывается в несколько раз больше, чем у кремниевого. Это приводит к увеличению потребляемой диодом мощности, его разогреву и уменьшению напряжения теплового пробоя.

Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умножения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвижных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного пробега. Для того чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для ионизации, необходимо увеличение ускоряющего поля, что достигается при большем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробивного напряжения кремниевых диодов с ростом температуры.

Полная вольт-амперная характеристика p-n перехода

Участок 1-2 – это линейная зависимость тока от обратного напряжения. При повышении обратного напряжения происходит резкое возрастание обратного тока, характеризующий пробой p-n перехода участок 2-4.

Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. Электрический пробой – участок

2-3 является обратным процессом. Это означает , что он не приводит к повреждению p-n перехода и при снижении напряжения его свойства сохраняются. Электрический пробой может быть лавинным и туннельным. При этом пробое образуются дополнительные носители заряда, что вызывает резкое возрастание тока.

Тепловой пробой — участок 3-4. возникает за счет интенсивной термогенерации носителей заряда при недопустимом повышении напряжения. Процесс развивается лавиннообразно, так как увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает повышение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка p-n перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя. Возможность теплового пробоя учитываются указанием в справочнике.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, в котором используется свойства этого p-n перехода.

— обозначение диодов в схеме.

Вольт-амперная характеристика диода

Это зависимость тока, проходящего через диод от приложенного напряжения . Рассмотрим ВАХ реального диода КД103А.

Прямое включение, резкое возрастание тока, при малых значениях напряжения до 1V. Обратное включение – малое значение обратного тока приблизительно 1 _µА при больших значениях напряжения 200V. При увеличении температуры и через диод возрастают (см. рис. 2.6). Зависимость обратного тока от температуры.

— номинальная температура.

— рассматриваемая температура.

— перепад температуры.

— коэффициент, зависящий от материала проводника.

Обратные токи сильно зависят от температуры (см. рис. 2.6). Обратный ток p-n перехода часто называют тепловым током. Рассмотрим ВАХ германиевого и кремниевого диодов:

Обратные токи кремниевого диода намного больше германиевого диода поэтому кремниевые диоды можно использовать при более высоких температурах и высоких напряжениях.

Si диод t 0 – от 60 0 С до 150 0 С, U_{обр max} от 1000V до 1500V

Ge диод t 0 – от 60 0 С до 85 0 С, U_{обр max} от 100V до 400V

Приемущества германиевого диода малое падение напряжения при пропускании прямого тока, поэтому мощность рассеиваемая на диоде будет меньше.

Основные типы полупроводниковых диодов

— выпрямительные диоды

— универсальные диоды

— стабилитроны и стабисторы

— варикапы

— импульсные диоды

— излучающие диоды

— фотодиоды

Выпрямительные диоды

Используются, как правило, для выпрямления переменного тока. Рассмотрим работу выпрямительного диода на схеме однополупериодного выпрямителя:

Рисунок 3.4 – временные диаграммы

3.4 Выпрямительные диоды делятся по мощности:

1) Диоды малой мощности, которые работают на до 300 .Максимальное обратное напряжение таких диодов лежат в диопозоне от десятков вольт до 1,5 кВ.

Пример: КД103А; ГД 107 Б.

2)Диоды средней мощности 300 до 10 А. Пропускают больший прямой ток за счёт большей площади кристалла кремниевого диода. Для улучшения условий теплоотвода могут использоваться с радиаторами.

Примеры : КД 202 А; КД 209 Б.

3) Мощные (силовые) диоды, рассчитаны на токи 10А и выше. Выпускаются на токи до 1000А, а обратные напряжения до 3,5 кВ. Работа их связана с выделением значительной мощности в

p-n переходе, используются как воздушные так и жидкостные охлаждения.

Примеры : ВЛ 10, ВЛ 320.

Обозначение диодов:

Обозначение диодов состоит из четырех элементов:

1. Исходный материал: Г(1); К(2); А(3)-соединения галия

2. Буква указывающая подкласс прибора.

А- сверхвысокочастотные диоды

Б- диоды с объемным эффектом Ганна

Г- генераторы шума

Д- выпрямительные универсальные или импульсные диоды

И- туннельные или обращенные диоды

К- стабилизаторы тока

Л- излучающие диоды

Н- тиристоры диодные (неуправляемые)

У- тиристоры триодные (управляемые)

С- стабилитроны или стабисторы

Ц- выпрямительные столбы и блоки

3. Число целое, первая цифра которого обозначает классификационный номер, а последующие две цифры от 1 до 99 порядковый номер разработки, кроме стабилитронов и стабисторов. Если вторая буква Д, то первая цифра после нее означает:

1). Выпрямительные диоды малой мощности.

2). Выпрямительные диоды средней мощности.

4). Универсальные диоды.

5),6),7),8),9) Импульсные диоды с различным временем восстановления обратного сопротивления.

4. Буква, указывающая разновидность прибора данного типа.

Пример: КД204В – кремниевый выпрямительный диод средней мощности, 4-ой разработки, В-разновидности.

Стандарт США:

1). Первый элемент- цифра указывающая число p-n переходов.

2). N- полупроводниковый прибор

3). Серийный номер прибора

Японский стандарт:

1). Первый элемент

0- фотодиод или фототранзистор

2). Указывает на то что он полупроводник

3). А- транзисторы p-n-p высокочастотные

R- выпрямительные диоды

Т- лавинные диоды

4). Регистрационный номер

5). Буква, соответствующая модификации прибора