емкость диода на что влияет

Емкость полупроводникового диода.

Р-п-переход при обратном напряжении аналогичен конденсатору со значительной утечкой в диэлектрике. Запирающий слой имеет очень высокое сопротивление и по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда, созданных ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому p-n-переход обладает емкостью, подобной емкости конденсатора с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью.
Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади p-n-перехода и диэлектрической проницаемости вещества полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Особенность барьерной емкости состоит в том, что она является нелинейной емкостью, т. е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается. А так как этот слой играет роль диэлектрика, то барьерная емкость уменьшается.
Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как она шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Но вместе с тем имеется и полезное применение барьерной емкости. Специальные диоды, называемые варикапами, используют в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на применении нелинейной емкости. В отличие от обычных конденсаторов переменной емкости, в которых изменение емкости происходит механическим путем, в варикапах это изменение достигается регулировкой величины обратного напряжения. Способ настройки колебательных контуров с помощью варикапов называют электронной настройкой.
При прямом напряжении диод, кроме барьерной емкости, обладает так называемой диффузионной емкостью, которая также нелинейна и возрастает при увеличении прямого напряжения. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в п– и p-областях при наличии прямого напряжения на переходе. Она существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в п– и p-областях. Так, например, если в некотором диоде p-область является эмиттером, а п-область – базой, то при подаче прямого напряжения из p-области в п-область через переход устремляется большое количество дырок и, следовательно, в п-области появляется положительный заряд. Одновременно под действием источника прямого напряжения из провода внешней цепи в п-область входят электроны и в этой области возникает отрицательный заряд. Дырки и электроны в п-области не могут мгновенно рекомбинировать. Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствует определенная величина двух равных разноименных зарядов, накопленных в п-области за счет диффузии носителей через переход.
Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но она в большинстве случаев не оказывает существенного влияния на работу диода и использовать ее также не удается, так как она всегда зашунти-рована малым прямым сопротивлением самого диода. Практическое значение, как правило, имеет только барьерная емкость.

Источник

Электроника для всех

Блог о электронике

Диод. Часть 2. Немного о конструкции и принципах

▌Конструкция
Диод делают из полупроводников. Вообще, изначально, полупроводниковые материалы, такие как кремний или германий ток проводят довольно хреново. У них электроны крепко держатся двумя молекулами сразу и требуется довольно большая энергия чтобы их вырвать.

Если полупроводник нагреть, облучить, подать высокое напряжение, чтобы образовалось мощное поле, которое потащит электроны, то из кристаллической решетки будет вырван электрон и будет он болтаться свободно среди молекул.
А там где он был, образуется дырка. Дырка означает не скомпенсированную электроном связь, положительно заряженную область. Сдернуть электрон из ближайшего атома в соседнюю дырку куда проще, чем просто вырвать его из решетки. При этом дырка будет уже у соседнего атома, ведь электрон то надо откуда то вырвать.

По сути, дырку можно считать положительно заряженной частицей. Потому как под действием поля дырки также мотает по всему кристаллу как и электроны. Хотя они и менее подвижные, т.к. на перемещение дырки надо больше энергии чем на перемещение электрона.

Ну вот, есть у нас такой прикольный материал у которого сопротивление зависит от приложенной к нему энергии. И что дальше?

А самое веселое начинается когда в полупроводник добавляют примеси за счет которых можно либо добавить дырок, либо свободных электронов. Накидав в кристаллическую решетку атомов с тремя или с пятью свободными электронами соответственно.

Получаются проводники p и n типа. В p — есть лишние дырки (positive), а в n — лишние электроны (negative).

Осталось только слепить два таких разнопроводимых кристалла вместе, чтобы получился pn переход. И мы получили диод. Суть в чем:

Когда ток подается вот так:

Т.е. к p-кристаллу мы подаем положительный потенциал, а на n-кристалл отрицательный, то дырки и электроны поведут себя как и подобает приличным электрическим зарядам — отталкиваясь от себе подобных и притягивясь к противоположности.

В p-кристалле электроны неудержимо потянет в плюсовой провод, следовательно дырки ломанутся в центр.
А в n-кристалле электроны из минусового провода, от источника питания, ломанутся к плюсу, тоже в центр. В центре электроны из n-кристалла запрыгнут в дырки p-кристалла и поскачут дальше к минусу (это называется рекомбинация). Т.е. через диод пойдет ток. И чем больше напряжение, тем больше дырок будет сдвигать и больше будет ток. Причем зависимость эта будет не линейная, а скорей параболическая.

Окей. С этим все понятно. Берем и меняем полярность. Что произойдет? А все то же самое, только направление движения зарядов изменится.

В p-кристалле электроны побегут в центр, значит дырки утащит к минусовому проводу, где они и останутся зиять, т.к. в металле проводника пути для них нет.

А в n-кристалле усосет все свободные электроны в источник питания. И тоже останется пустота. А, как я уже говорил, полупроводник в котором нет свободных зарядов, это хреновый проводник. Почти диэлектрик. И вот, собственно, на этом месте диод и перестает проводить ток в обратном направлении.

▌Фотодиод
Но при этом свойства полупроводника в зоне откуда убежали все свободные заряды никуда не деваются. Если полупроводник облучить, то в нем таки возникнут свободные заряды и он будет проводить ток. Так работает, например, фотодиод. Помните его схему включения?

Вот диод стоит себе в обратном направлении, сопротивление у него огромное, намного больше подтягивающего резистора и на ноге при этом возникает положительный потенциал от подтяжки. Но стоит ему засветить, как его тотчас прорывает за счет того, что его кристалл чувствителен к свету и свет из него легко выбивает заряды. Но, на самом деле, у фотодиода характеристика ВАХ еще более интересна:

Если рассмотреть его поквадрантно. То на нулевом освещении (самый верхний график) он ведет себя почти как обычный диод. Чуток травит назад, совсем мало. А прямая проводимость по той же параболе. А вот при увеличении освещения начинается самое интересное. Ну, во первых, у него резко возрастает обратный ток. Чем ярче на него светим, тем сильней. Но самое интересное это квадрант D. Если посмотреть на график, то при прямом напряжении мы имеем… обратный ток.

Т.е. фотодиод является источником энергии. Генерирует обратный ток и до поры до времени сопротивляется внешнему источнику питания. В конце концов, тот конечно его перебарывает и график уходит в квадрант А.

▌Стабилитрон
Или вот, например, стабилитрон. Тоже девайс работает в обратку. Тоже, по сути, вполне себе добропорядочный диод.

Стоит себе не пропускает, ну кроме тех случаев, когда поле (А напряженность поля напрямую зависит от напряжения. Ваш К.О.) оказывается столь сильно, что вырывает из полупроводника заряды сами по себе. И тогда он начинает подтравливать ток. Но только до тех пор, пока напряжение на нем не снизится до некого предельного уровня. Уровень этот и определяет напряжение которое стабилитрон будет стабилизировать. Причем чем больше напряжение, тем больший ток через него будет стравливаться, стараясь это напряжение удержать.

Примерно как клапан ограничения давления на паровом котле. Стоит там пружина с уставкой на давление в 5 очков, и все что выше 5 очков травит наружу.

То есть любой диод может пробивать в обратном направлении, при превышении определенного потенциала. И этот пробой является обратимым. При условии что ток при нем не был настолько большим, чтобы выделить тепло достаточное для уничтожения кристалла. Поэтому на стабилитроне и нужен резистор.

А то слишком большой ток через него потечет и он сдохнет, а так получается своего рода делитель напряжения, в котором нижнее плечо автоматом подстраивается так, чтобы на выходе было напряжение на которое заточен стабилитрон.

▌Емкость диода
Вообще, если рассматривать диод более детально, то у него есть емкость (хотя чего это я, у всего в мире есть емкость, даже у индуктивности 😉 ) и более приближенная к реальности схема диода выглядит так:

Но тут есть один нюанс. У этой емкости две природы. Когда диод пропускает в одну сторону, то у него заряжается диффузионная емкость. Т.е. кристаллы диода насыщается неосновыми зарядами. Что значит неосновными?

А то, что в p-кристалле, где должно быть, по идее, полно дырок (основных зарядов), при протекании тока от души набивается хренова куча электронов, забивает все излишние дырки, да еще сверху насыпает с горкой.

В противовес, в n-кристалле, мало того, что все электроны лишние (основной заряд) усасывает полем, так еще и дополнительно вырывает из решетки, образуя дырки (неосновной заряд).

И когда напряжение резко меняют на обратное, диод то может и закроется мгновенно, но вот из насыщенных неосновными зарядами областей пока утащит все лишние электроны и дырки, которых там не должно быть, пройдет какое то время, а эти самые неосновные заряды при исходе образуют импульс обратного тока. Короткий, конечно, как иголочка.

Но если у вас частота высокая, то эти короткие импульсы вам могут помех натворить, потребление увеличить, пробить что-нибудь не то и так далее. Диффузионная емкость зависит от прямого тока. Чем больше прямой ток, тем больше неосновных зарядов насуёт в кристаллы.

Небольшое плато — это время на то, пока растащит заряды в области pn перехода. Собственно, время закрытия самого перехода. А вот потом уже идет обычный такой разряд конденсатора — это растаскивает неосновные заряды из основного тела полупроводника. И чем это тело больше, тем дольше их будет оттуда растаскивать.

А когда диод включен обратно, то возникает барьерная емкость.

Если внимательно посмотреть на обратно смещенный диод, на что это похоже?

Два проводника, между ними диэлектрик… Правильно, на конденсатор. Ну и хрен что диэлектрик у этого конденсатора это полупроводник. При определенных условиях он же диэлектрик? Диэлектрик. Значит работать будет.

А еще расстояние между проводящими областями зависит от электрического поля. Подали посильней обратное смещение — дырки и электроны вжались в края — диэлектрический слой увеличился, ослабил поле — уменьшился. А от толщины диэлектрика напрямую зависит емкость этого импровизированного конденсатора. Т.е. барьерная емкость зависит от приложенного обратного напряжения.

Ну и обе емкости зависят от конструктива. Раньше, в советской литературе, было даже четкое деление на плоскостный и точечный диод. Т.е. у плоскостного pn переход был в виде двух плоских областей, способных пропустить через себя большой ток, но обладающих большой емкостью. А у точечного диода переход представлял собой подпружиненную иголочку с покрытием, упирающуюся в кристалл полупроводника. Площадь контакта мала, емкость мала, ток тоже мизерный.

Сейчас я такого деления как то не встречаю. Видать в западной классификации диоды по конструктиву не делят.

▌Варикап
Способность диода образовывать барьерную емкость при обратном смещении и послужило идеей для варикапа. Осталось только сделать такой диод, для которого барьерная емкость была бы максимально стабильной, не зависящей от разных там погодных условий и вуаля.

Т.е. даем отрицательное постоянное смещение, а поверх него переменный сигнал, то меняя смещение можно менять емкостное сопротивление этого конденсатора для этого переменного сигнала. Такую емкость зовут барьерной. Т.к. ее величина зависит от ширины потенциального барьера.

А как это применить тут можно многое придумать. Первое что приходит в голову разные электрически управляемые фильтры или колебательные контура. Вроде такого:

▌Шоттки
Отдельно хочу сказать о диоде Шоттки. Диод Шоттки использует не pn переход двух полупроводников. А переход полупроводник-металл. Получается примерно то же самое, но с рядом особенностей, как то:

Минусы тоже значительные.

Вот как то так. Кратенько и по самым основам. Как раз под окончание сессии у студентов 😉

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.

21 thoughts on “Диод. Часть 2. Немного о конструкции и принципах”

А где параграф про обеднённую зону и дрейфовый ток? )

Источник

Полупроводниковые диоды, p-n-переход, виды пробоев, барьерная емкость, диффузионная емкость

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий 2 вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.2, а, б.

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа.

Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n ) сильно различаются. Слой полупроводника, имеющий большую концентрацию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концентрацию — базой.

Далее рассмотрим основные элементы диода (p-n-переход и невыпрямляющий контакт металл-полупроводник), физические явления, лежащие в основе работы диода, а также важные понятия, использующиеся для описания диода.

Глубокое понимание физических явлений и владение указанными понятиями необходимо не только для того, чтобы правильно выбирать конкретные типы диодов и определять режимы работы соответствующих схем, выполняя традиционные расчеты по той или иной методике.

В связи с быстрым внедрением в практику инженерной работы современных систем схемотехнического моделирования эти явления и понятия приходится постоянно иметь в виду при выполнении математического моделирования.

Системы моделирования быстро совершенствуются, и математические модели элементов электронных схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» физические явления. Это делает весьма желательным постоянное углубление знаний в описываемой области и необходимым понимание основных физических явлений, а также использование соответствующих основных понятий.

Приведенное ниже описание основных явлений и понятий, кроме прочего, должно подготовить читателя к систематическому изучению вопросов математического моделирования электронных схем.

Рассматриваемые ниже явления и понятия необходимо знать при изучении не только диода, но и других приборов.

Структура p-n-перехода.

Вначале рассмотрим изолированные друг от друга слои полупроводника (рис. 1.3).

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.4).

В отечественной литературе по электронике уровни зонных диаграмм и разности этих уровней часто характеризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя их в вольтах, например, указывают, что ширина запрещенной зоны ф₅ для кремния равна 1,11 В.

В то же время зарубежные системы схемотехнического моделирования реализуют тот подход, что указанные уровни и разности уровней характеризуются той или иной энергией и измеряются в электрон-вольтах (эВ), например, в ответ на запрос такой системы о ширине запрещенной зоны в случае кремниевого диода вводится величина 1,11 эВ.

В данной работе используется подход, принятый в отечественной литературе.

Теперь рассмотрим контактирующие слои полупроводника (рис. 1.5).

В контактирующих слоях полупроводника имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n (существует градиент концентрации дырок). Аналогичная причина обеспечивает диффузию электронов из слоя n в слой p.

Диффузия дырок из слоя p в слой n, во-первых, уменьшает их концентрацию в приграничной области слоя p и, во-вторых, уменьшает концентрацию свободных электронов в приграничной области слоя n вследствие рекомбинации. Подобные результаты имеет и диффузия электронов из слоя n в слой p. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление.

В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному, обусловленному градиентом концентрации. В несимметричном p-n-переходе более протяженным является заряд в слое с меньшей концентрацией примеси, т. е. в базе.

Изобразим зонную диаграмму для контактирующих слоев (рис. 1.6), учитывая, что уровень Ферми для них является единым.

Рассмотрение структуры p-n-перехода и изучение зонной диаграммы (рис. 1.6) показывают, что в области перехода возникает потенциальный барьер. Для кремния высота Аф потенциального барьера примерно равна 0,75 В.

Примем условие, что потенциал некоторой удаленной от перехода точки в слое p равен нулю. Построим график зависимости потенциала Ф от координаты x соответствующей точки (рис. 1.7). Как видно из рисунка, значение координаты x = 0 соответствует границе слоев полупроводника.

Важно отметить, что представленные выше зонные диаграммы и график для потенциала Ф (рис. 1.7) строго соответствуют подходу, используемому в литературе по физике полупроводников, согласно которому потенциал определяется для электрона, имеющего отрицательный заряд.

В электротехнике и электронике потенциал определяют как работу, совершаемую силами поля по переносу единичного положительного заряда.

Построим график зависимости потенциала Фэ, определяемого на основе электротехнического подхода, от координаты x (рис. 1.8).

Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем опускать и использовать только электротехнический подход (за исключением зонных диаграмм).

Прямое и обратное включение p-n-перехода. Идеализированное математическое описание характеристики перехода.

Обозначим через u напряжение на p-n-переходе, а через i — ток перехода (рис. 1.13).

Т — абсолютная температура, К;

φт— температурный потенциал, при температуре 20°С (эта температура называется комнатной в отечественной литературе) φт = 0,025 В, при температуре 27°С (эта температура называется комнатной в зарубежной литературе) φт = 0,026 В.

Полезно отметить, что, как следует из приведенного выше выражения, чем меньше ток i_s, тем больше напряжение u при заданном положительном (прямом) токе. Учитывая, что ток насыщения кремниевых ( Si ) переходов обычно меньше тока насыщения германиевых ( Ge) переходов, изобразим соответствующие вольтамперные характеристики (рис. 1.15).

Пробой p-n-перехода.

После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока.

В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным).

Изобразим соответствующий участок вольтамперной характеристики p-n-перехода (рис. 1.16).

В основе пробоя p-n-перехода лежат три физических явления:·-туннельного пробоя p-n-перехода (эффект, явление Зенера);

— лавинного пробоя p — n-перехода;·

Термин «пробой» используется для описания всей совокупности физических явлений и каждого отдельного явления.

И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Туннельный пробой.

Его называют также зенеровским пробоем по фамилии (Zener) ученого, впервые описавшего соответствующее явление в однородном материале. Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процессы при пробое перехода, в основе которых лежал лавинный пробой.

В иностранной литературе до сих пор называют диодами Зенера стабилитроны (диоды, работающие в режиме пробоя) независимо от того, используется туннельный или лавинный пробой.

Напряжение, при котором начинается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяснения механизма туннельного пробоя схематически изобразим соответствующую зонную диаграмму p-n-перехода (рис. 1.17).

Если геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина, толщина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект — явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в p — n-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.

Лавинный пробой.

Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах, схематично явление лавинного пробоя изобразим на рис. 1.18.

Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление).

Тепловой пробой.

После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (соответствующий полупроводниковый прибор выходит из строя).

Явление изменения нескомпенсированных объемных зарядов в области p-n-перехода.

Барьерная емкость.

Как уже отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок через p-n-переход в области перехода возникают нескомпенсированные объемные (пространственные) заряды ионизированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока.

Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое в свою очередь самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т. е. на процесс протекания тока.

При увеличении обратного напряжения область пространственных зарядов (главным образом за счет базы) и величина заряда в каждом слое (p и n) полупроводника увеличиваются. Это увеличение происходит непропорционально: при большом по модулю обратном напряжении заряд увеличивается при увеличении модуля напряжения медленнее, чем при малом по модулю обратном напряжении.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.19), где используем обозначения:

Q — пространственный заряд в слое n полупроводника;

В практике математического моделирования (и при ручных расчетах) удобно и поэтому принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. На практике широко используют так называемую барьерную емкость С_6арp-n-перехода, причем по определению С_6ар = | dQ / du | Изобразим графики для Q (рис. 1.20) и C бар (рис. 1.21).

Явление возникновения и изменения объемного заряда неравновесных носителей электричества. Диффузионная емкость.

Если напряжение внешнего источника напряжения смещает p-n-переход в прямом направлении (u> 0), то начинается инжекция (эмиссия) — поступление неосновных носителей электричества в рассматриваемый слой полупроводника. В случае несимметричного p-n-перехода (что обычно бывает на практике) основную роль играет инжекция из эмиттера в базу.

В соответствии с этим поступивший в базу заряд дырок будет практически мгновенно нейтрализован таким же по модулю зарядом электронов.

Q — объемный заряд неравновесных носителей в базе;

f — функция, описывающая зависимость Q от u.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.22).

В соответствии с изложенным Q = f( u ) На практике удобно и принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. При этом используют понятие диффузионной емкости C диф p-n-перехода, причем по определению C диф = dQ / du Емкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе.

Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.23, а). В свою очередь ток i экспоненциально зависит от напряжения u (соответствующее выражение приведено выше), поэтому производная di / du также прямо пропорциональна току (для экспоненциальной функции ее производная тем больше, чем больше значение функции). Отсюда следует, что емкость С_диф прямо пропорциональна току i (рис.1.23,6):

Cдиф=i·τ/φт где φт — температурный потенциал (определен выше);

τ — среднее время пролета (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).

Среднее время пролета — это время, за которое инжектируемые носители электричества проходят базу, а время жизни — время от инжекции носителя электричества в базу до рекомбинации.

Общая емкость p-n-перехода.

Эта емкость С_пер равна сумме рассмотренных емкостей, т. е. С_пер = С_бар + С_диф.

При обратном смещении перехода ( u

Как следует из диаграммы, энергетические уровни в полупроводнике, соответствующие зоне проводимости, заполнены меньше, чем в металле. Поэтому после соединения металла и полупроводника часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Это приведет к увеличению концентрации электронов в полупроводнике типа n.

Таким образом, проводимость полупроводника в области контакта окажется повышенной и слой, обедненный свободными носителями, будет отсутствовать. Указанное явление оказывается причиной того, что контакт будет невыпрямляющим. Для получения невыпрямляющего контакта металл-полупроводник p-типа необходимо выполнение условия φмп> 0

Источник