Полупроводниковые диоды на основе p

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ДИОДЫ НА ОСНОВЕ P-N
ПЕРЕХОДА. БАРЬЕР ШОТТКИ
Выполнила: Комиссарова Ксения
Гр.21301
СОДЕРЖАНИЕ
P-n переход
 Типы полупроводниковых диодов
 Полупроводниковый диод
 Вольт- амперная характеристика
полупроводникового диода
 Выпрямление переменного тока в диоде
 Влияние генерации и рекомбинации объемного
сопротивления базы

СОДЕРЖАНИЕ
Барьер Шоттки
 Вольт- амперная характеристика
 Диод Шоттки
 Свойства диода Шоттки(преимущества)
 (недостатки)
 Номенклатура диодов Шоттки

P-N ПЕРЕХОД
Переходная область между двумя частями одного кристалла полупроводника, одна
из которых имеет электронную проводимость (n-типа), а другая дырочную (p-типа). В
области pn-перехода возникает электрическое поле, которое
препятствует переходу электронов из n- в р-область, а дырок обратно, что
обеспечивает выпрямляющие свойства pn-перехода .Зоной p-n-перехода называется
область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа
проводимости от электронной n к дырочной p.
Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями:
в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной
части донорной примесью (n-область), а в другой — акцепторной (p-область);
на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости.
Энергетическая диаграмма p-n-перехода. a) Состояние равновесия b) При
приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении
ВОЛЬТ- АМПЕРНАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА
Ток генерации, то есть дырочный ток,
текущий из n-области в p-область
перехода.
Ток рекомбинации, то есть дырочный ток,
текущий из p-области в n-область.
Электрическое поле в обеднённом слое
препятствует этому току, и только те
дырки, которые попадают на границу
обеднённого слоя, имея достаточную
кинетическую энергию, чтобы преодолеть
потенциальный барьер, вносят вклад в ток
рекомбинации Jh
= Jhrec − Jhgen =
Jhgen(eeU/kT − 1).
P-N ПЕРЕХОД
ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ДИОДОВ
Полупроводниковый диод на основе p-n
перехода
 Стабилитроны
 Варикапы
 Туннельные диоды
 Обращенные диоды

Полупроводниковый диод
Простейшим полупроводниковым прибором является диод,
представляющий полупроводниковый кристалл с электроннодырочным (pn) переходом.
Основу выпрямительного диода составляет обычный электроннодырочный переход
Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают
методом сплавления, диффузии и эпитаксии.
Диод ДГ-Ц25. 1959 г.
Вольт- амперной характеристика
полупроводникового диода
высокая проводимость при
прямом смещении и низкая
при обратном вызывает
резкую асимметрию вольтамперной характеристики
описываемая уравнением:
1 полупроводниковый диод 2 идеальный
диод
ВЫПРЯМЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА В ДИОДЕ
На рисунке приведена
схема,
иллюстрирующая
выпрямление
переменного тока в
диоде.
коэффициент выпрямления идеального
диода на основе p- n перехода
ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ
СОПРОТИВЛЕНИЕ
дифференциальное
сопротивление rD
На прямом участке вольт- амперной
характеристики диода
дифференциальное сопротивление rD
невелико и составляет значение
несколько Ом. На обратном участке
характеристики диода
дифференциальное сопротивление
rD стремится к бесконечности,
поскольку в идеальных диодах при
обратном смещении ток не зависит
от напряжения.
сопротивление по
постоянному току RD.
На прямом участке вольт- амперной
характеристики сопротивление по
постоянному току больше, чем
дифференциальное сопротивление
RD > rD, а на обратном участке меньше RD < rD.
В точке вблизи нулевого значения
напряжения VG << kT/q значения
сопротивления по постоянному току
и дифференциального
сопротивления совпадают.
ВЛИЯНИЕ ГЕНЕРАЦИИ,
РЕКОМБИНАЦИИ И
ОБЪЕМНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ БАЗЫ НА
ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНЫХ ДИОДОВ
В реальных выпрямительных диодах на основе p-n перехода при анализе
вольт- амперных характеристик необходимо учитывать влияние
генерационно- рекомбинационных процессов в обедненной области p-n
перехода и падение напряжения на омическом сопротивлении базы p-n
перехода при протекании тока через диод.
для моноэнергетического рекомбинационного уровня, расположенного
вблизи середины запрещенной зоны полупроводника, выражение для
темпа генерации (рекомбинации) имеет вид:
γn, γp - вероятности захвата электронов и дырок на рекомбинационный
уровень;
Nt - концентрация рекомбинационных уровней;
n, p - концентрации неравновесных носителей;
n1, p1 - концентрации равновесных носителей в разрешенных зонах
при условии, что рекомбинационный уровень совпадает с уровнем
Ферми.
СТАБИЛИТРОН
Полупроводниковый прибор, предназначенный для стабилизации
напряжения в источниках питания.
В основе работы стабилитрона лежат два механизма:
Лавинный пробой p- n перехода
Тунельнный пробой p- n перехода
Виды стабилитронов:
•прецизионные — обладают повышенной стабильностью напряжения стабилизации,
для них вводятся дополнительные нормы на временную нестабильность напряжения и
температурный коэффициент напряжения
•двусторонние — обеспечивают стабилизацию и ограничение двухполярных
напряжений, для них дополнительно нормируется абсолютное значение
несимметричности напряжения стабилизации
•быстродействующие — имеют сниженное значение барьерной емкости (десятки пФ) и
малую длительность переходного процесса(единицы нс), что позволяет стабилизировать
и ограничивать кратковременные импульсы напряжения
Вольт- амперная характеристика
нескольких стабилитронов.
Обозначение стабилитрона на
принципиальных схемах
ЛАВИННЫЙ ПРОБОЙ
ТУННЕЛЬНЫЙ ПРОБОЙ
ВАРИКАПЫ
работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от
обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически
управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура,
деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей
Обратное напряжение на диоде
При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный
барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное
напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное
напряжение отталкивает электроны в глубь n-области, в результате чего происходит
расширение обеднённой области p-n перехода, которую можно представить как
простейший плоский конденсатор , в котором обкладками служат границы области. В
таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом
расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения)
ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь
толщиной базы, далее которой переход расширяться не может. По достижении этого
минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется.
Обозначение варикапа на схемах.
ОБРАЩЕННЫЙ ДИОД
Полупроводниковый диод, на свойства которого значительно влияет
туннельный эффект в области p-n перехода.В отличие от туннельного диода
ВАХ обращённого диода практически не имеет «горба», что обусловлено
немного меньшей, чем у туннельного диода, концентрацией примесей в
полупроводнике. Из-за неполного легирования обладает значительной
температурной зависимостью.
ТУНЕЛЬННЫЙ ДИОД
В туннельном диоде квантово- механическое тунелирование электронов
добавляет горб в вольт- амперную характеристику, при этом, из-за высокой
степени легирование p и n областей, напряжение пробоя уменьшается
практически до нуля. При дальнейшем увеличении прямого напряжения
уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на
запрещённую зону р-области, а поскольку тунелирование не может изменить
полную энергию электрона, вероятность перехода электрона из n-области в
p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке вольт-амперной
характеристики участок, где увеличение прямого напряжения
сопровождается уменьшением силы тока
Вольт- амперная характеристика
туннельного диода. В диапазоне
напряжений от U1 до U2
дифференциальное сопротивление
отрицательно.
БАРЬЕР ШОТТКИ
Потенциальный барьер, образующийся в приконтактом
слое полупроводника, граничащем с металлом. Для
возникновения барьера, необходимо ,чтобы работы
выхода электронов из металла Ф(м) и полупроводника
Ф(п) были разными.
При контакте n-типа Ф(м)>Ф(п),то металл заряжается
отрицательно, а полупроводник положительно, т.к
электронам легче перейти из полупроводника в
металл, чем обратно.
Возникающая при этом контактная разность
потенциалов равна:
Uк = (ФМ -Фп)/е
где е - заряд электрона
Из-за большой электропроводности металла
электрическое поле в него не проникает, и разность
потенциалов Uк создаётся в приповерхностном слое
полупроводника.
Вольт-амперная характеристика
барьера Шоттки
В области прямых смещений
ток экспоненциально растёт с
увеличением приложенного
напряжения. В области
обратных смещений ток от
напряжения не зависит. В
обоих случаях, при прямом и
обратном смещении, ток в
барьере Шоттки обусловлен
основными носителями
заряда - электронами.
Энергетическая схема контакта металл - полупроводник: а -полупроводник nтипа и металл до сближения; б и в - идеальный контакт металла с
полупроводником n- и p-типов; г - реальный контакт металла с
полупроводником n-типа; M - металл; П -полупроводник; Д-диэлектрическая
прослойка; Ɛс,Ɛf,Ɛ вак -уровни энергии электрона у потолка валентной
зоны, у дна зоны проводимости и в вакууме; Ɛf -энергия Ферми; Фп-работа
выхода электрона из полупроводника, ФM - из металла; Uк - разность
потенциалов в приповерхностном слое полупроводника.
Контакты металл - полупроводник с барьерами Шоттки
используются в СВЧ-детекторах и смесителях, транзисторах,
фотодиодах и др. приборах.
ДИОД ШОТТКИ
полупроводниковый диод с малым падением напряжения
при прямом включении. Диоды Шоттки используют
переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки
вместо p-n перехода, как у обычных диодов. Допустимое
обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов
ограничено 250В, на практике большинство диодов
Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном
напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.
Условное обозначение диода Шоттки по ГОСТ 2.730-73
Структура детекторного Шотки диода : 1 —
полупроводниковая подложка; 2 — эпитаксиальная плёнка; 3 —
контакт металл — полупроводник; 4 — металлическая
плёнка; 5 — внешний контакт
СВОЙСТВА ДИОДОВ ШОТТКИ
 Достоинства:
1.
2.
3.
Диоды Шоттки позволяют снизить прямое
падение напряжения до 0,2—0,4 вольт.
Имеет меньшую электрическую ёмкость, что
позволяет заметно повысить рабочую частоту.
Выпрямители на диодах Шоттки обладают
пониженным уровнем помех.
 Недостатки:
1.
2.
При кратковременном превышении
максимального обратного напряжения диод
Шоттки необратимо выходит из строя
Характеризуются повышенными обратными
токами, возрастающими с ростом
температуры кристалла.
НОМЕНКЛАТУРА ДИОДОВ
ШОТТКИ


МОП-транзисторы со встроенным обратным
диодом Шоттки- основной компонент
синхронных выпрямителей.
ORing- диоды и ORing- сборки- силовые диоды
и силовые сборки применяемые для
объединения параллельных источников
питания общей нагрузки в устройствах
повышенной надежности.
КОНЕЦ
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!