ФОЭ_ Тема 6_2021.09.19

1.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Тема 6
ОБЩИЕ СВОЙСТВА РЕАЛЬНЫХ
ДИОДОВ

2.

Особенности строения реальных
диодов
В реальном диоде на границе металлических контактов А и К с
полупроводниковым материалом образуется дополнительные (паразитные)
выпрямляющие p-n-переходы, негативно влияющие на работу той или иной
структуры. В реальных структурах металлические контакты, например, анода
и катода, всегда примыкают к сильнолегированным (обогащенным) слоям
полупроводника, обозначаемым n+ и р+.
Электрофизические свойства слоев n+ и р+. близки к свойствам металлов,
поэтому и устраняется паразитный выпрямляющий p-n-переход.
Поэтому говорится, что, несмотря на сложную реальную структуру диода, в
нем присутствует только один выпрямляющий p-n-переход.

3.

ВАХ реальных диодов
Прямая ветвь ВАХ реального диода:
• Предельное напряжение Uпред реальных
диодов больше, чем DЕз (до 1,2 В у Si).
• Предельный Iпр ограничен свойствами диода:
при превышении заданного тока диод
разрушается (“сгорает”) за счет выделения
избыточной мощности.
• Например, при комнатной температуре для
Ge диода Д7 ∆Uпред = 0,5 В (при токе 300 мА);
для Si 2Д202; ∆Uпред = 1 В (при токе 3 мА).
Обратная ветвь ВАХ реального диода:
• Обратный ток реального диода на участке 0-12 немного зависит от обратного напряжения.
• При возрастании обратного напряжения
более Uзагиба ток интенсивно возрастает (2-3);
при отсутствии ограничения тока возникают
процессы пробоя реального диода: ток
возрастает (4) , сопротивление структуры
падает;
• При превышении напряжения пробоя Uпробоя и
превышения максимального обратного тока диод пробивается – структура разрушается за
счет больших обратных токов.

4.

Необратимый тепловой пробой
диодов
Развитие электро-теплового (теплового) пробоя
• При обратном смещении на обедненной свободными
носителями области p-n-перехода реального диода падает
большое напряжение (у выпрямительных диодов до нескольких
сотен вольт) при относительно малом обратном токе Iобр (III
квадрант, участок 0-1-2).
• При превышении напряжения пробоя Uпробоя ток Iобр начинает
возрастать (участок 2-3-4), и, если силу тока не ограничивать
внешней цепью, p-n-переход обогащается носителями заряда,
концентрация которых растет из-за развития процессов пробоя и
генерации дополнительных носителей.
• Ток начинает необратимо возрастать (4-5), увеличивается
джоулевский нагрев за счет тепловых потерь.
• За счет повышения температуры резко возрастает
Паспортные данные:
концентрация носителей и сопротивление структуры резко падает.
значения обратного тока Iобр при
Напряжение на p-n-переходе уменьшается (2-3-4-5)
значениях Uобр mах:
• Фактически, участок 4-5 характеризует пробитую
Д7А: Iобр=100 мкА (при 50 В);
(разрушенную тепловым пробоем) структуру диода, и режим
Д7Ж: Iобр=100 мкА (при 400 В);
участка 4-5 является недопустимым. Именно поэтому в паспортных
2Д202В: Iобр = 1 мА (при 100 В);
данных приводится значение предельно допустимого обратного
напряжения, равного Uобр max = (0,7 - 0,8)Uпр.
2Д202В: Iобр = 1 мА (при 600 В).
Вывод
1.
Электро-тепловой (тепловой) пробой является
необратимым видом пробоя, в результате которого структура
диода безусловно (необратимо) разрушается
2.
Превышение обратного напряжения выше Uпробоя
(Uзагиба) недопустимо.

5.

Необратимый тепловой пробой
диодов

6.

Обратимые виды пробоя диодов
• Обратимый пробой контролируется напряжением.
• Обратимый электрический пробой может быть лавинным или туннельным.
• Лавинный пробой: при обратном смещении p-n-переход диода имеет
значительное сопротивление (МОм), и внешнее напряжение приложено к узкой
области p-n-перехода. За счет этого в области объемного заряда возникает высокая
напряженность Е электрического поля, и электроны, разгоняясь на длине свободного
пробега, приобретают энергию, сравнимую с DEз. Подвижные неосновные носители
(электроны) при большой Е приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных
электронов у собственных атомов. При этом образуются дополнительные пары
носителей заряда – электроны и дырки. Новые электроны, ускоряясь полем, после
столкновения с атомами создают новые носители заряда. Возникает так называемая
лавина электронов. Таким образом, лавинный пробой обусловлен лавинным
размножением носителей заряда в p-n-переходе в результате ударной ионизации
собственных атомов быстрыми электронами.
• Туннельный (Зенеровский) пробой): возникает туннельный эффект
туннеллирование электронов через энергетический барьер p-n-перехода. В
полупроводниках это явление проявляется в виде переброса электронов из
валентной зоны в зону проводимости через энергетический барьер запрещенную
зону. Этот процесс можно интерпретировать как отрыв электронов, имеющих
значения энергии уровней валентной зоны, т.е. находящихся в атомах
кристаллической решетки полупроводника, под действием сильного электрического
поля.
Вывод:
• При лавинном и туннельном пробое увеличивается число неосновных носителей.
• Процесс можно контролировать регулировкой напряжения и тока

7.

Защита диодов
от перенапряжения и пробоя
В моменты коммутации ( включения-выключения ) диодов через структуры
протекают значительные переходные токи, разрушающие диод.
В связи с этим говорится, что кремниевые диоды имеют невысокую перегрузочную
способность по прямому и по обратному напряжению.
В установках предусматривается быстродействующая защита от перегрузки и
короткого замыкания с помощью токоограничительных предохранителей с малым
временем срабатывания, ОПН и т.п.
От импульсного обратного перенапряжения (от импульсных помех) диоды также
защищают с помощью шунтирующей RшCш цепочки.
Для равномерного распределения обратных напряжений между последовательно
включенными диодами их шунтируют резисторами, сопротивления которых
одинаковы, но меньше величины обратного сопротивления

8.

ВАХ и модель реального диода

9.

Этапы технологии изготовления твердотельных ИС
(планарная технология)
Из слитков кремния изготавливают тонкие пластины (подложки), одна их поверхностей
которых полируется, а затем окисляется во влажной среде. Поверх окисла SiO2наносится
слой светочувствительного , фоторезиста, который под действием облучения светом
изменяет химические свойства. Путем наложения стеклянных масок, поэтапного
легирования, создаются «карманы» p- и n- типа, к которым подводятся контакты

10.

Общие сведения о специальных
диодах
Общим для всех типов диодов является то, что все они содержат один
выпрямляющий p-n-переход.

11.

Обозначение диодов
Согласно ГОСТ 10862-72
Первый элемент маркировки является буква или цифра, указывающая на
полупроводниковый материал: Г или 1 – германий; К или 2 кремний; 3 –
соединения галлия.
• Второй элемент – буква, указывающая на область применения диодов
(подкласс): Д - выпрямительные, универсальные, импульсные; В – варикапы;
И туннельные и обращенные; С – стабилитроны, Г генераторы шума, Л –
излучающие оптоэлектронные приборы и т.п.
• Третий элемент цифра, указывающая на назначение диодов, у
стабилитронов эта цифра соответствует мощности рассеяния.
У выпрямительных диодов на третьей позиции через дефис приводится
предельный ток (в амперах), например, ДЛ133-500 (диод низкочастотный,
лавинный, предельный ток 500 А); БЧ2-200 –диод высокочастотный (быстро
восстанавливающийся), конструктивное исполнение 2, на 200 А.
• Четвертая и пятый элементы – порядковый номер разработки. У
стабилитрона эта цифра напряжение стабилизации.
• Шестой элемент – буква, указывающая на группу разработки.
Поиск в Интернете: ? datasheet pdf (пример: D2 datasheet pdf)