Реферат: 1. Основы полупроводниковой электроники. Контактные явления

Содержание курса лекций

1. Основы полупроводниковой электроники. Контактные явления.

1.1. Полупроводниковые материалы.

1.1.1. Чистые полупроводники

1.1.2. Полупроводники n- и p - типа

1.2. Электронно - дырочный переход.

1.2.1. Электронно - дырочный переход без внешнего воздействия

1.2.2. Электронно - дырочный переход при внешнем воздействии

1.2.3. Пробой p-n-перехода

1.2.4. Емкость p-n-перехода

2. Полупроводниковые диоды.

2.1. Характеристики и параметры.

2.1.1. Общие сведения

2.1.2. Характеристики и параметры

2.2. Математические модели диода и их применение.

2.2.1. Идеальный диод

2.2.2. Кусочно - линейная модель диода

2.2.3. Полная схема замещения диода

2.2.4. Полиномиальная аппроксимация участка ВАХ диода

2.3. Виды и система обозначений современных полупроводниковых диодов.

2.3.1. Виды и обозначение диодов

2.3.2. Система обозначений современных полупроводниковых диодов

3. Биполярные транзисторы.

3.1. Устройство и основные процессы

3.1.1. Устройство биполярного транзистора

3.1.2. Режимы работы биполярного транзистора и основные физические процессы

3.2. Характеристики и параметры биполярного транзистора

3.2.1. Способы включения биполярного транзистора

3.2.2. Схема с общей базой

3.2.3. Схема с общим эмиттером

3.2.4. Схема с общим коллектором

3.2.5. Инверсное включение транзистора

3.3. Математические модели биполярного транзистора

3.3.1. Модели Эберса-Молла

3.3.2. Физическиие малосигнальные модели биполярных транзисторов

3.3.3. Малосигнальные модели биполярного транзистора в виде активного линейного четырехполюсника

3.4. Система обозначений транзисторов

4. Полевые тразисторы.

4.1. Общие определения

4.2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

4.2.1. Принцип действия, обозначение

4.2.2. Вольтамперные характеристики

4.3. Полевой транзистор с изолированным затвором

4.3.1. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом

4.3.2. Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом

4.4. Параметры и модели полевых транзисторов

4.4.1. Параметры

4.4.2. Математические модели транзистора с общим истоком

4.5. Элементы памяти на основе принципа полевого транзистора

4.5.1. Ячейка памяти

4.5.2. Приборы с зарядовой связью (ПЗС)










1.1.1. Чистые полупроводники.

Полупроводниковые материалы занимают промежуточное место по электропроводности между проводниками и изоляторами. Удельное сопротивление таких хороших проводников как серебро, медь, железо составляет 10-6…10-4 ом·см. Хорошие изоляторы: кварц, слюда, каучук, бумага — имеют удельное сопротивление от 1018 до 1010 ом·см. Промежуток удельных сопротивлений 106…10-3 ом·см занимают полупроводники.

Для изготовления современных полупроводниковых приборов и особенно интегральных микросхем используются кристаллы чистых кремния и германия. Равномерная кристаллическая решетка в виде тетраэдров этих материалов, атомы которых имеют четыре валентных электрона на внешней оболочке, обеспечивают устойчивую структуру: соседние атомы кристалла попарно объединяются, так что каждый атом представляет собой устойчивую структуру с восемью электронами на внешней оболочке, в которую входят четыре соседних атома. На рис. 1.1. показана упрощенная плоская модель соединения атомов в кристалле чистого (беспримесного) кремния, где каждая линия между атомами обозначает ковалентную связь. Из-за неразличимости отдельных электронов любой валентный электрон оказывается принадлежащим в одинаковой степени всем атомам кристалла.



Рис. 1.1

Такая структура при температуре абсолютного нуля представляет собой изолятор, так как свободных электронов, обуславливающих электропроводность, в ней нет. Однако, при увеличении температуры даже такие крепкие связи могут нарушиться, что приведет к появлению, с одной стороны, свободных электронов, а с другой – к так называемым «дыркам» - местам в решетке, которые покинули электроны. Свободный электрон может занять дырку (произойдет рекомбинация). Дырку может занять ближайший связанный электрон, в результате чего уже на его бывшем месте образуется новая дырка. Всякий переход электрона от одного атома к другому сопровождается одновременно встречным переходом дырки. Если электрон имеет отрицательный заряд, то дырке условно приписывается положительный заряд такой же величины, как заряд электрона. Дырка как бы перемещается (движется) по кристаллу, также как электрон.

Процесс образования под влиянием температуры пары электрон-дырка называют термогенерацией. Таким образом, в чистом полупроводнике одновременно хаотично блуждают электроны и дырки, причем их число одинаково, а при увеличении температуры это число увеличивается. При определенной температуре существует термодинамическое равновесие между генерацией и рекомбинацией, в результате чего в полупроводнике устанавливается некоторая, вполне определенная концентрация свободных носителей заряда. Среднее время существования пары электрон-дырка называют временем жизни носителей заряда, а расстояние L , пройденное частицей за время ее жизни – диффузионной длиной. Число свободных носителей заряда (электронов ni и дырок pi) в чистом1 полупроводнике определяется соотношением



(1.1)

где - энергия активации, Т – абсолютная температура, k - постоянная Больцмана.

При отсутствии внешнего электрического поля носители заряда движутся в полупроводнике хаотично. Это движение называют диффузией. Диффузионное движение зарядов обусловлено неравномерностью концентрации зарядов и тепловой энергией.

Если теперь к кристаллу приложить внешнее напряжение, то может возникнуть небольшой ток, обусловленный дрейфом электронов и дырок, причем скорости дрейфа электрона и дырки разные, они зависят от их подвижности и напряженности электрического поля. В целом число свободных электронов и дырок незначительно. Например, в кристалле германия при комнатной температуре есть только 2 свободных электрона на 1010 атомов, но в 1 грамме германия имеется 1022 атомов. Таким образом, в одном грамме содержится 2·1012 свободных электронов, что и создает собственную проводимость чистого полупроводника. Однако для создания тока в один ампер потребуется 6·1018 электронов в секунду! Поэтому ток чистого полупроводника очень мал.

Термогенерация свободных носителей, их дрейф, диффузия и рекомбинация очень важны для понимания процессов, происходящих в полупроводниках, но они не исчерпывают всего многообразия происходящих в полупроводнике явлений. Многие вопросы количественного анализа работы полупроводников базируются на зонной теории твердого тела2.


^ 1 Параметры чистого полупроводника обозначаются обычно с индексом i от intrinsic – истинный.
2 Эти вопросы подробно рассматриваются в курсе «Физические основы микросхемотехники».



^ 1.1.2. Полупроводники n — p типа

Чистые i - полупроводники практически не используют. В них специально вводят атомы других элементов (примеси) трехвалентных (алюминий, галлий, индий, бор) или пятивалентных (мышьяк, фосфор, сурьма) элементов или их соединений. При этом на 107…108 атомов i - полупроводника вводят один атом примеси. Атомы пятивалентной примеси называются донорами: они увеличивают число свободных электронов. Каждый атом такой примеси добавляет один лишний электрон. При этом лишних дырок не образуется. Примесный атом в структуре полупроводника превращается в неподвижный положительно заряженный ион. Проводимость полупроводника теперь будет определяться в основном числом свободных электронов примеси. В целом такой тип проводимости называют проводимостью n–типа, а сам полупроводник – полупроводником n–типа.

При введении трехвалентной примеси одна из валентных связей полупроводника оказывается незаполненной, что эквивалентно образованию дырки и неподвижного отрицательно заряженного иона примеси. Таким образом, в этом случае увеличивается концентрация дырок. Примеси такого типа называются акцепторами, а проводимость, обусловленная введением акцепторной примеси, называют проводимостью р–типа. Полупроводник данного вида называют полупроводником р–типа.

Преобладающие носители заряда в полупроводнике называются основными. Так в полупроводнике n–типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, а в полупроводнике р–типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Как видим, в отличие от проводимости проводников, в которых ток обусловлен направленным движением только электронов, в полупроводниках ток может быть обусловлен двумя типами носителей – электронами и дырками.

^ 1.2.1. Электронно - дырочный переход без внешнего воздействия

В полупроводниковых приборах и микросхемах применяют кристаллы, в которых можно выделить области собственного полупроводника (i -типа), области с донорными (n-типа) и акцепторными ( р -типа) примесями, границы между полупроводниками с разными типами проводимости и с различной концентрацией примеси, слои между полупроводником и металлом для организации внешних выводов или других функциональных назначений.

Границу между двумя областями полупроводника с разными типами проводимости называют электронно-дырочным переходом или p-n - переходом. Переходы между двумя областями полупроводника одного и того же типа электропроводности, но с различными значениями удельной электрической проводимости называют изотипными переходами. Различают изотипные электронно-электронный (n-n+) и дырочно-дырочный (р-р+) переходы, причем знак «+» отмечает область с более высокой концентрацей соответствующих носителей заряда, полученной за счет большей концентрации примесей.

В зависимости от используемых в переходах материалов их разделяют на гомогенные и гетерогенные. Гомогенным переходом называют переход, созданный в одном полупроводниковом материале (только в германии, только в кремнии, только в арсениде галлия). Гетерогенный переход создается на границе различных полупроводниковых материалов: германий-кремний, кремний-арсенид галлия.

В зависимости от характера изменений концентрации примесей на границе различают ступенчатый и плавный p-n -переходы; в ступенчатом переходе изменение концентрации имеет скачкообразный характер. Здесь концентрация примесей на границе изменяется на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной L. В плавном переходе такие изменения происходят на расстоянии, значительно превышающем L.

Особую роль играют переходы металл-полупроводник (МП), являющиеся неотъемлемой частью каждого полупроводникового прибора. Различают невыпрямляющие (или омические) и выпрямляющие переходы МП. Выпрямляющие переходы имеют характеристики, зависящие от направления и величины приложенного к ним напряжения.

Любой электрический переход не может быть создан путём простого соприкосновения двух полупроводниковых кристаллов. Для их изготовления используют специальные технологические приемы. В настоящее время наиболее распространены сплавные и диффузионные переходы.

Для изготовления сплавного перехода на поверхности чистого полупроводника укрепляют небольшую «таблетку» примеси и помещают в печь, где происходит ее нагрев до температуры ниже точки плавления полупроводника, но выше точки плавления примеси. В результате происходит вплавление в кристалл примеси и формирование p-n-перехода.

Для изготовления диффузионного p-n-перехода сначала полупроводниковую пластину с защитным окисным слоем предварительно обрабатывают, создавая «окна» заданной конфигурации на ее поверхности, а затем через них проводят диффузию примеси.1

При создании технологического контакта материалов с разными типами проводимости в области границы образуется небольшой слой, который и называется собственно p-n-переходом (рис.1.2)



Рис. 1.2

В этой области противоположно заряженные неподвижные ионы примесей создают отталкивающее поле для основных носителей заряда, и последние уходят из зоны соприкосновения. При этом движение основных носителей осуществляется за счет диффузии и рекомбинации с неосновными носителями. Для неосновных носителей (дырок в полупроводнике n -типа и электронов в полупроводнике р-типа) поле зарядов является ускоряющим, и они дрейфуют к «соседям».

В результате на границе образуется обедненный носителями обоих типов слой, он имеет большое удельное сопротивление.

Двойной слой зарядов неподвижных ионов примесей в слое не компенсированы электронами и дырками, что создает внутреннее электрическое поле с напряженностью Е . Это поле препятствует переходу дырок из области р в область n и электронов из области n в область р . Но оно же создает дрейфовый поток, перемещающий дырки из области n в область р и электроны из области р в область n (дрейф неосновных носителей). Обедненный слой и есть p-n-переход.

В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному. При одинаковой концентрации основных носителей заряда справа и слева от границы, p-n-переход симметричен. Если концентрации не одинаковы, то говорят о несимметричном p-n-переходе. В этом случае слой с большей концентрацией основных носителей (меньшим удельным сопротивлением или большей проводимостью) называют эмиттером, а с меньшей концентрацией – базой. В базе ширина обедненного слоя шире.

Поле Е оценивается потенциальным барьером для основных носителей, который препятствует их диффузии в полупроводник другого типа. В электротехнике величину потенциала определяют как работу на перемещение единичного положительного заряда. При этом график распределения потенциалов вдоль перехода имеет вид, представленный на рис.1.3.



Рис. 1.3

При отсутствии внешнего поля величина потенциального барьера (или контактная разность потенциалов) определяется соотношением



(1.2)

где е = 1,6·10-19 кул – заряд электрона, k = 1,38·10-23 - постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, NА, NД – концентрация атомов акцепторов и доноров, nр, nn–концентрации дырок и электронов в р и n-областях, - температурный потенциал. Для комнатной температуры температурный потенциал составляет примерно 0,025 вольт. Ширину (или толщину) несимметричного резкого p - n -перехода можно вычислить по формуле



(1.3)

Она составляет обычно единицы микрометров.

Как следует из формулы (1.3) для увеличения ширины p-n-перехода нужно использовать слабо легированные полупроводники, а для создания узкого перехода – сильно легированные.



^ 1.2.2. Электронно - дырочный переход при внешнем воздействии

При подключении к p-n-переходу внешнего напряжения плюсом к полупроводнику р-типа (прямое включение) потенциальный барьер для основных носителей уменьшается, через переход потечет ток, увеличивающийся с увеличением внешнего напряжения. При изменении полярности внешнего напряжения (обратное включение) потенциальный барьер увеличивается, весьма малый обратный ток определяется дрейфом только неосновных носителей.

Зависимость тока через переход от приложенного к нему внешнего напряжения определяет так называемую вольтамперную характеристику перехода (ВАХ). Для идеального p-n-перехода имеет место следующая зависимость тока от напряжения



(1.4)

где Is - обратный ток насыщения неосновных носителей при обратном напряжении на переходе. При u >> 0,025 В величина , поэтому в этом случае можно считать , а при u << -0,025 В, , поэтому можно считать, что при больших обратных напряжениях обратный ток равен току насыщения.



Рис. 1.4

На рис.1.4 пунктиром показана ВАХ идеального p - n -перехода в соответствии с выражением (1.4) для тока насыщения, равного 5 мкА, сплошные кривые соответствуют реальным переходам с кристаллом из германия ( Ge ) и кремния ( Si ). Для германия ток насыщения составляет примерно 10 мкА, а для кремния 10-15…10-13 А. В выражение (1.4) для малых токов кремниевого перехода в формулу (1.4) вводят коэффициент m =2…2,5:



Обычно графики для прямых и обратных токов представляются в разных масштабах как для токов, так и для напряжений, поскольку прямые напряжения составляют доли вольта при токах несколько миллиампер , а обратные напряжения – десятки вольт при токе доли и единицы микроампер.

В каждой точке нелинейной ВАХ можно найти производную, которая характеризует дифференциальные проводимость или сопротивление, сильно отличающиеся на прямой и обратной ветвях ВАХ.

На вид и положение ВАХ в значительной степени влияет температура p - n -перехода . Считается, что ток насыщения IS изменяется примерно в два раза у германиевых переходов и в 2,5 раза у кремниевых на каждые 10 градусов изменения температуры, при этом изменение падения напряжения на переходе составляет –(2…2,5) mВ/оС. В интегральных схемах это изменение достигает величины -1,5 mВ/оС.

Максимально допустимые температуры для германиевых переходов составляют 80…100оС, для кремниевых переходов – 150…200оС .

^ 1.2.3. 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



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.
^ 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 = Сбар + Сдиф + Скорп

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 Sпер – 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 rб, 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…10оС. 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…12оС, 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 Iобр, 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:

^ Iпр,макс – максимально допустимый постоянный прямой ток;

Uпр – постоянное прямое напряжение, соответствующие заданному току;

Uобр,макс – модуль максимально допустимого обратного напряжения;

Iобр,макс – максимально допустимый постоянный обратный ток;

rдиф – 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 Еm 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 uR (t) :



Из рисунка 2.4 видно, что напряжение на нагрузке отнюдь не постоянно, а пульсирует относительно постоянного напряжения UR,0.

При наличии дополнительного постоянного напряжения Есм (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(t1); 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 Uвых,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 (А1,А2) прямой и обратной ветвей.



Рис. 2.8

На прямой ветви через т.А1 проводим касательную к ВАХ до пересечения с осью напряжений. Точка пересечения определяет напряжение U0. дифференциальное сопротивление диода в точке А1 определяется как



Для обратной ветви через заданную точку А2 проводят касательную к ветви до пересечения с осью обратных токов. Точка пересечения дает значение обратного тока I0, дифференциальное сопротивление обратной ветви, определенное в точке А2, 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 СД, являющуюся суммой барьерной и диффузионной емкостей, а также сопротивления контактов. На рис. 2.11 приведена такая модель.



Рис. 2.11

Здесь RД – нелинейное сопротивление перехода, Сбар – и Сдиф - 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 стандартное (см. таблицу 2.1). В качестве выпрямительных используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Для выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме. Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80оС, кремниевые до 120-150оС, арсенид-галлиевые до 150оС.

Основные параметры выпрямительных диодов:

^ Uобр,макс –максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без нарушения его работоспособности;

Iвып,ср - средний выпрямленный ток;

Iпр,п – пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и формы импульса;

^ Uпр,ср – среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока;

Pср – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

rдиф – дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме.

Особо отметим класс импульсных диодов, имеющих очень малую длительность переходных процессов из-за малых емкостей переходов (доли пикофарад); уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них меньше, чем у низкочастотных выпрямительных диодов. Их используют в импульсных схемах.

К параметрам, перечисленным выше, для импульсных диодов следует отнести общую емкость СД, максимальные импульсные прямые и обратные напряжения и токи, время установления прямого напряжения от момента подачи импульса прямого тока до достижения им заданного значения прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления диода с момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигает заданного малого значения (см. рис. 2.13).



Рис. 2.13

После изменения полярности напряжения в течение времени t1 обратный ток меняется мало, он ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей, накопленных в базе диода, рассасывается. Далее ток уменьшается до своего статического значения при полном рассасывании заряда в базе.

2) Стабилитроны – диоды, предназначенные для работы в режиме электрического пробоя. Условное обозначение отличается от стандартного (см. таблицу 2.1). В этом режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение на нем меняется мало. В низковольтных (до 5,7В) стабилитронах используется туннельный пробой,