Главная | Обратная связь

Пробой p-n-перехода

Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений показана на рис. 1.5. Началу пробоя соответствует точка А. После этой точки дифференциальное сопротивление перехода стремится к нулю. Различают три вида пробоя p-n-перехода:

Туннельный пробой (А-Б), Лавинный пробой (Б-В),

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.

 

Выпрямительные диоды.Если на полупроводниковой пластине создать две области проводимостей (одна p-типа, другая n-типа), то между этими областями образуется электронно-дырочный р-n переход (контакт). Предположим, что р-n переход образован электрическим контактом областей n- и р- типа с одинаковой концентрацией n и р зарядов (рис.2.2,а). Вследствие высокой концентрации электронов в n-области и дырок в p-области начинается диффузионное движение электронов из n-области в p-область и дырок из p-область n-область.

В процессе диффузии в приграничном слое происходит рекомбинация основных носителей заряда. В результате диффузии и рекомбинации у р-n перехода образуется обедненный свободными носителями двойной слой пространственного заряда. Приграничная p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, обусловленный отрицательными ионами акцепторной примеси и на рис.2.2,а обозначен знаками (-). Приграничная n-область приобретает нескомпенсированный положительный заряд (+), обусловленный положительными ионами донорной примеси. Образованный в граничном слое объемный заряд создает внутреннее электрическое поле E_В, направленное как показано на рис.2.2, а. Внутреннее поле E_В является тормозящим для основных носителей заряда и называется потенциальным барьером p-n перехода. Если к полупроводнику не прикладывается внешнее поле, то потенциальный барьер препятствует движению зарядов и ток через полупроводник не протекает.

Если к полупроводнику приложить прямое напряжение u_пр (плюсом к р-области, а минусом к n-области), то поле u_пр будет направлено встречно полю

По мощности, рассеиваемой p-n переходом, диоды бывают малой ( 3 А), средней (0,3< 10 А) и большой ( >10 А) мощности.

На характеристики диодов оказывает влияние температура окружающей среды. Абсолютная величина приращения I_обр у германиевых диодов с ростом температуры в несколько раз больше, чем у кремниевых.

Параметры выпрямительных диодов.

1. Средний выпрямленный ток I_{пр ср}

2. Среднее прямое напряжение U_{пр ср}

3. Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр макс}

4. Максимальный обратный ток I_{обр макс}

5. Средняя рассеиваемая мощность P_ср

6. Диапазон рабочих температур: для германиев диодов -60...+85 °С; для кремниевых диодов -60...+125 °С.

7. Барьерная емкость диода при подаче на него номинального обратного напряжения составляет десятки пФ.

8. Диапазон рабочих частот.

9. Дифференциальное сопротивление R_диф - сопротивление диода протекающему переменному току, которое вычисляется как отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы - сотни Ом).

Стабилитроны.Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения в электрических цепях. Принцип работы стабилитрона основан на явлении электрического пробоя p-n перехода при подаче на диод обратного напряжения. Стабилизирующие свойства этого прибора объясняются тем, что на вольтамперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. На рис.2.4 приведены ВАХ стабилитрона и схема включения. Стабилитрон всегда включается параллельно нагрузке.

По величине допустимой мощности рассеивания P_макс стабилитроны подразделяются на стабилитроны малой (P_макс<0,3 Вт), средней (0,3 Вт<P_макс<5 Вт) и большой (P_макс>5 Вт) мощности.

Стабилитроны общего назначения используются в схемах стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения. Прецизионные стабилитроны используются в качестве источников опорного напряжения с высокой степенью стабилизации и термокомпенсации.

Импульсные стабилитроны используются для стабилизации постоянного и импульсного напряжений, а также ограничения амплитуды импульсов напряжения

Рис. 2.4. Вольтамперная характеристика (а) малой длительности.

и схема включения (б) стабилитрона

Двухдиодные стабилитроны работают в схемах стабилизации, ограничителях напряжения различной полярности, в качестве источников опорного напряжения.

Стабисторы используются для стабилизации малых значений напряжения, причем рабочим является прямое смещение диода.

Величина пробоя p-n перехода зависит от удельного сопротивления базы диода. Низковольтные стабилитроны изготавливаются из сильнолегированного (низкоомного) материала и для них более вероятен туннельный пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливаются из слаболегированного (высокоомного) материала и для них вероятен лавинный вид пробоя.

Основные параметры стабилитронов.

Номинальное напряжение стабилизации U_{ст ном} - падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока I_{ст ном}. Минимальный ток стабилизации I_{ст мин} Максимальный ток стабилизации I_{ст макс}

Туннельные диоды.Туннельные диоды - это диоды, которые имеют значительно большую концентрацию носителей зарядов, чем обычные диоды и имеют очень малую толщину p-n перехода.

В тонких p-n переходах вследствие большой напряженности электрического поля увеличивается вероятность туннельного прохождения электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. Туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, т.е. характеристика имеет N-образный вид (рис. 2.10). Поясним форму характеристики. Рис. 2.10. Вольтамперная характеристика туннельного диода (п - пик, в – впадина, р - раствор)

При небольшом прямом напряжении происходит смещение энергетических зон, так что часть энергетических уровней, занятых электронами проводимости n-области, начинает располагаться напротив свободных уровней p-области. Это приводит к туннельному переносу электронов из n- в p-область и протеканию прямого туннельного тока.

С увеличением прямого напряжения туннельный ток достигает максимального значения, когда все заполненные энергетические уровни зоны проводимости n-области располагаются напротив свободных уровней p-области (U=U_П).

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к тому, что часть заполненных энергетических уровней n-области начинает располагаться против запрещенной зоны p-области и туннельный ток убывает.

Когда зона проводимости n-области и валентная зона p-области перестанут перекрываться, туннельный ток исчезает (U=U_В).

Наряду с туннельным переходом электронов в p-n переходе туннельного диода течет и обычный диффузионный ток, связанный с преодолением потенциального барьера основными носителями (показан штрихпунктирной линией). Таким образом, ток туннельного диода имеет две составляющие: туннельную и диффузионную. При напряжениях на диоде, когда туннельная составляющая тока не протекает, туннельный диод представляет собой обычный диод, прямой ток которого определяется током диффузии.

 

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n-перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n-прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором^[1] (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.