1.3-1.4 Контактные явления Полупроводниковые диоды 2024

1. Контактные явления в полупроводниках

2.

• В современных электронных приборах
можно встретить несколько видов
контактов
между
материалами,
определяющими основные свойства
приборов.

3.

• 1.
Контакт
двух
примесных
полупроводников с разным типом
проводимости
(p-n
переход)
–
основной вид контакта, характерный
для
большинства
электронных
приборов.
• Основное свойство такого контакта –
односторонняя
проводимость
электрического тока, а также ряд других
свойств, которые будут рассмотрены
далее.

4.

• 2. Контакт металл-полупроводник
(барьер
Шоттки)
–
контакт,
обладающий также выпрямительными
свойствами, как и обычный p-n переход,
но сохраняющий эти свойства на
высокой частоте.
• Электронные приборы с барьером
Шоттки используются в современных
быстродействующих
цифровых
электронных приборах (логика ТТЛШ).

5.

• 3.
Контакт
примесных
полупроводников
одного
типа
проводимости
но
с
разной
концентрацией примеси (p-p+ и n-n+) –
используется главным образом как
переходный между полупроводником и
металлическими
контактами
электронного прибора.

6.

• 4. Гетеропереходы – контакты двух
полупроводников с разной шириной
запрещенной зоны, например GaAsAlGaAs.
• Используются главным образом для
создания
полупроводниковых
лазеров.
• Рассмотрим далее образование p-n
перехода и его свойства.

7. P-n переход и его свойства

• P-n переход образуется в результате соединения
двух полупроводников (p и n типа).
• После
соединения
происходит
диффузия
электронов
из
полупроводника
n
типа
в
полупроводник
p
типа.
• Эта
диффузия
обусловлена
различной
концентрацией электронов в полупроводниках.

8.

• В результате диффузии электроны встречаются с
дырками
и
происходит
их
рекомбинация,
приводящая к исчезновению свободных носителей
заряда в области контакта двух полупроводников.
• В этой области,
обеднённой свободными
носителями заряда, ионы примеси! создают
мощное запирающее электрическое поле Eзап,
препятствующее движению основных носителей
заряда через переход. Для неосновных носителей
поле не является препятствием.
Таким
образом,
источником
запирающего поля p-n перехода
являются объемные (распределенные в
пространстве
полупроводника)
электрические заряды ионов примеси!

9.

• При подключении p-n перехода в электрическую
цепь возможно два варианта:
• 1) Обратное включение – когда область p
подключается к отрицательному полюсу источника
питания, а область n – к положительному.
• При этом электрическое поле источника Eпит
усиливает запирающее поле перехода Eзап,
область p-n перехода расширяется и в цепи
существует только слабый ток неосновных
носителей заряда Iобр.

10.

• 2) Прямое включение – когда область p
подключается к положительному полюсу источника
питания, а область n – к отрицательному.
• При этом электрическое поле источника Eпит
ослабляет запирающее поле перехода Eзап,
область p-n перехода сужается и в цепи существует
значительный ток основных носителей заряда
Iпр>>Iобр.

11.

• Таким образом, основное свойство p-n перехода –
преимущественно односторонняя проводимость
электрического тока.
• Это свойство используется в полупроводниковых
выпрямительных
диодах
для
выпрямления
переменного тока.
• Следует также отметить, что при обратном
включении p-n перехода увеличивается барьерная
емкость перехода. (закрытый p-n переход можно
представить как плоский конденсатор).
• При увеличении обратного напряжения барьерная
емкость p-n перехода падает, что также
используется в полупроводниковых приборах.

12.

Полупроводниковые диоды

13.

• К полупроводниковым диодам относится целый
класс полупроводниковых приборов, обладающих
преимущественно односторонней проводимостью
электрического тока.
• Полупроводниковый диод представляют собой
кристалл полупроводника с p-n - переходом,
помещенный в корпус и снабженный парой выводов
для подключения в электрическую цепь.
• Вывод, подключенный к полупроводнику p-типа
называют анодом, а вывод, подключенный к
полупроводнику n-типа называют катодом.
• По
функциональному
назначению
полупроводниковые
диоды
делятся
на:
выпрямительные
(универсальные),
сверхвысокочастотные,
импульсные,
стабилитроны, варикапы, туннельные диоды,
обращенные диоды, светодиоды, фотодиоды и
др.

14. Выпрямительный (универсальный) диод

1. Выпрямительный
(универсальный) диод
• Диод, использующий основное свойство p-n
перехода
(преимущественно
односторонняя
проводимость)
и
предназначенный главным образом для
выпрямления переменного тока.
• Также диоды могут использоваться в других
схемах:
умножители
напряжения,
распределители сигналов, ограничители
напряжения.
В
этом
заключается
универсальность выпрямительного диода.

15.

• УГО выпрямительного (универсального)
диода
• В выпрямительных (универсальных)
диодах используется преимущественно
прямое включение p-n перехода, когда
на анод подается «+», а на катод «-».

16.

• Основная характеристика диода –
вольт-амперная (ВАХ) – зависимость
тока
через
напряжения:
диод
от
приложенного

17. Участки ВАХ:

• I - участок незначительного возрастания тока
при увеличении напряжения. Этот участок
соответствует
процессу
компенсации
запирающего поля p-n-перехода;
• II - участок быстрого возрастания тока соответствует
полной
компенсации
запирающего поля. В данном случае
внешнее
поле
преобладает
над
запирающим.

18.

• 1 – участок слабого увеличения тока до насыщения при
увеличении напряжения.
• Следует отметить, что при обратном включении с ростом
температуры
наблюдается
увеличение
силы
тока,
протекающего через диод. Это связано с увеличением
концентрации
неосновных
носителей
заряда
при
повышении температуры (см. ЛР №1).
При некотором напряжении равным Uпроб сила тока резко
увеличивается (участок 2) – это так называемый лавинный
пробой - резкое увеличение проводимости за счет ударной
ионизации атомов быстрыми электронами, ускоренными
сильным обратным полем в p-n-переходе.
• Лавинный пробой обратим, т.е. при уменьшении напряжения
диод сохранит свою работоспособность. При сильном
увеличении тока в случае плохого отвода тепла от
полупроводникового кристалла может произойти тепловой
пробой (участок 3).
• Тепловой пробой - необратимый процесс, приводящий к
тепловому разрушению p-n-перехода. После теплового пробоя
диод теряет свои основные свойства и становится
неработоспособным.

19. Параметры диода

Iпр – допустимый прямой ток
Uпр – прямое падение напряжения на диоде (потеря
напряжения)
Uобр – допустимое обратное напряжение
Is – обратный ток насыщения (допустимый обратный ток)
Fmax – максимальная рабочая частота переменного тока

20. Теоретическое описание ВАХ диода

• Формула Эберса-Молла:
Ud – Напряжение на диоде
U d T
I d I s e
1
Is – ток
насыщения при
обратном
включении
Ток диода
φT – тепловой потенциал
φT = kT/qe= 26 мВ при Т = 300 К.
qe - заряд электрона

21.

• Примеры схем с
выпрямительными диодами
Однополупериодный выпрямитель
Переменный
ток
Постоянный
ток
Диод пропускает только один полупериод переменного тока,
напряжение после диода становится пульсирующим, но постоянным
по направлению (см. лекции по источникам питания).

22.

• Двухполупериодный мостовой
выпрямитель
Переменный
ток
Постоянный
ток
В каждом полупериоде работают два диода в противоположных
плечах моста. За счет этого выпрямляется каждый полупериод
переменного тока (как положительный, так и отрицательный). На
выходе получается также пульсирующее напряжение, но с меньшим
коэффициентом пульсации и с большим средним напряжением (см.
лекции по источникам питания).

23.

• Умножитель напряжения
Переменный
ток
Выпрямленное
увеличенное
напряжение
Увеличение напряжения происходит за счет диодно-конденсаторных
ячеек, каждая ячейка дает увеличение напряжения в 2 раза.
Диоды выполняют функцию выпрямителей напряжения, конденсаторы
служат накопителями заряда, выходное напряжение снимается с
нескольких конденсаторов за счет этого суммарное напряжение
увеличивается (см. лекции по источникам питания).

24.

• Развязка аккумуляторов на диодах
Диоды позволяют питать каждую группу потребителей от своего
независимого аккумулятора при этом аккумуляторы будут иметь
общее заряжающее устройство (генератор).
Встречно включенные диоды исключают взаимное влияние
аккумуляторов и их взаимную перезарядку.

25.

• * Особенностью выпрямительных
диодов является то, что они имеют
относительно большую площадь p-n
перехода
для
возможности
выдерживать
значительные
токи.
Вследствие этого выпрямительные
диоды
обладают
повышенной
электрической
емкостью,
что
ограничивает их использование на
высоких
частотах.
На
высоких
частотах используют диоды с малой
площадью p-n перехода (СВЧ диоды)
или диоды Шоттки.

26. 2. Стабилитрон

• Стабилитрон (диод Зенера) – диод,
использующий участок обратимого
(лавинного или туннельного) пробоя pn
перехода
для
стабилизации
напряжения в цепях постоянного тока.
• УГО
• В
стабилитронах
используется
обратное включение, т.е. на анод
подается «-», на катод «+».

27.

• ВАХ стабилитрона
• Основные
параметры:
• Iст min – минимальный
ток стабилизации
• Iст ном – номинальный
ток стабилизации
• Iст max – максимальный
ток стабилизации
• rд = dU/dI –
дифференциальное
сопротивление при
Iст.ном

28.

• Для нормальной работы стабилитрона, ток,
протекающий через него должен быть близок
к Iст.ном. (см. ЛР №2)
• При токах близких к граничным (Imax,
Imin) стабилитрон может либо выйти из
режима стабилизации либо повредиться
вследствие теплового пробоя.
• Величина
дифференциального
сопротивления rд на рабочем участке влияет
на степень стабилизации напряжения: чем
меньше rд (круче ВАХ), тем выше
стабильность выходного напряжения.

29.

• * Для стабилизации малых напряжений
до
1В
используют
особые
стабилитроны – стабисторы.
• Стабисторы имеют крутую ветвь ВАХ
при прямом включении, что позволяет
стабилизировать малые напряжения.
• Таким образом, при работе анод
стабистора подключают к «+», а катод к
«-» источника питания.
• УГО
стабилитрона
и
стабистора
совпадают.

30.

• Практические схемы
параметрического стабилизатора на
стабилитроне и стабисторе.

31.

• * Особенностью параметрического
стабилизатора является нормальная
работа только на небольшую нагрузку
в узком диапазоне сопротивлений.
• При
понижении
расчетного
сопротивления нагрузки стабилитрон
выходит из режима стабилизации и не
выполняет своей функции.
• Для устранения этого недостатка
параметрические схемы стабилизации
дополняют схемами усиления тока на
транзисторах (см. далее).

32.

Использование транзистора в схеме стабилизатора для
усиления тока (более подробно см. лекцию по источникам
питания).

33.

• Стабилитроны также можно
использовать в качестве ограничителей
напряжения в защитных устройствах
Используются встречно включенные стабилитроны для защиты
от импульсов напряжения любой полярности.
Если входное напряжение превысит напряжение пробоя
стабилитрона, то стабилитрон откроется и не даст увеличиться
напряжению на нагрузке.

34. 3. Варикап

• Варикап - прибор, изменяющий свою
емкость под действием электрического
напряжения.
• В варикапе используется свойство обратно
включенного p-n перехода изменять свою
барьерную
емкость
при
изменении
напряжения,
т.к.
обратносмещенный
переход является, по сути, конденсатором.
• УГО:

35.

• Принцип работы варикапа: при увеличении
обратного напряжения барьерная емкость
p-n перехода падает вследствие расширения
его области (увеличение расстояния между
обкладками конденсатора).
• Основная характеристика варикапа – вольтфарадная – зависимость емкости варикапа
от напряжения при обратном включении.
Емкость плоского конденсатора:
S – площадь обкладок
d – расстояние между обкладками
d ~ Uобр

36.

• Варикапы применяются в системах
электронной
настройки
радиоприемников, в ЧМ-модуляторах и
других автоматических системах, где
необходимо управлять электрической
емкостью.
Схема чм-модулятора
на полевом транзисторе.
Варикап
VD1
осуществляет
частотную модуляцию
(чм)
высокочастотного
несущего колебания.

37. 4. Фотодиод

• Фотодиод
–
это
источник
электрический энергии, работающий
на явлении внутреннего вентильного
фотоэффекта.
• УГО:

38.

• Принципы работы: при облучении p-n
перехода светом такой частоты, что энергия
фотона (hν) больше ширины запрещенной
зоны
используемого
полупроводника,
происходит рождение пар электрон-дырка
(фотогенерация).
• Под действием запирающего поля p-n
перехода
происходит
разделение
электронов и дырок и возникает фото ЭДС.

39.

• Фотодиоды используются в качестве
приемников оптического излучения в
различных электронных устройствах.
Фотодатчик
•* Еще один вид приемников оптического излучения - фоторезистор в
отличие от фотодиода не является источником электрической энергии, т.к.
в нем не происходит разделение зарядов, а просто изменяется
электрическое сопротивление.
•В фоторезисторе используется внутренний фотоэффект при отсутствии
p-n перехода.

40. 5. Светодиоды

• Светодиод
–
преобразователь
электрической энергии, подведенной к p-n
переходу в оптическое излучение.
• УГО и внутреннее устройство:

41.

• Принцип работы светодиода основан на
излучении фотона при рекомбинации
электронов из зоны проводимости в
валентную зону в p-n переходе.
• Любая рекомбинация сопровождается
выделением энергии в виде тепла или
света.
• Подбором материалов можно добиться
светового
излучения
разных
диапазонов.
• Материалы для светодиодов: GaAs,
InP, ZnSe и др.

42.

• * Светодиод включается в прямом
направлении: анод «+», катод «-».
• У
светодиодов
существует
предельный ток, который не следует
превышать.
• По
этой
причине
светодиоды
включаются
последовательно
с
ограничивающими ток резисторами.
• При включении светодиода без
ограничивающего
резистора
существует риск выхода его из
строя.

43.

• Схема подключения светодиода к
источнику напряжения:

44. 6. Туннельный диод

• Туннельный диод (диод Есаки) –
диод с особыми свойствами на основе
туннельного эффекта при прямом
включении p-n перехода.
• Туннельный эффект наблюдается
высоколегированных
примесных
полупроводниках
(вырожденные
полупроводники).
• УГО:

45.

• Туннельный эффект
Квантовый эффект преодоления микрочастицей (электроном)
потенциального барьера. Из-за квантовых свойств микрочастиц
существует ненулевая вероятность прохождения частицы через
потенциальный барьер даже с энергией меньшей потенциального
барьера.
Вероятность прохождения барьера возрастает при уменьшении его
ширины.

46.

• Вследствие туннельного эффекта на прямом
участке
ВАХ
наблюдается
область
с
отрицательным
дифференциальным
сопротивлением rd=dU/dI < 0 (от U1 до U2).
• При обратном включении туннельный диод
хорошо проводит электрический ток в отличие
от обычных диодов.
Прямое
включение
Обратное
включение

47.

• Применение: благодаря участку с
отрицательным
дифференциальным
сопротивлением
туннельный
диод
может работать в качестве усилителя
или генератора колебаний.
• Также
туннельный
диод
можно
использовать
в
переключающих
схемах.
• Применение туннельного диода оправдано в
высокочастотной технике, т.к. он позволяет
создавать малошумящие усилительные и
генераторные схемы с минимальным числом
элементов (мало паразитных параметров).

48.

• Принцип работы усилителя на туннельном диоде:
• Подбором напряжения смещения Uсм выводят
рабочую точку диода - на участок отрицательного
дифференциального сопротивления.
• Uвых = I⸱R, I=Uсигн/(R+Rд ) => Uвых = Uсигн∙R/(R+Rд )
• K= R/(R + Rд ) – коэффициент усиления схемы
• При Rд < 0, K= R/(R - Rд ) >1, т.е. схема усиливает сигнал.

49. Контрольные вопросы

1. Назовите виды контактов (переходов) в полупроводниковых приборах.
2. Назовите основное свойство p-n перехода.
3. Что называется прямым и обратным включением p-n перехода?
4. Какими носителями обусловлен ток при прямом и обратном
включении p-n перехода?
5. Что является источником запирающего поля в p-n переходе?
6. Начертите УГО выпрямительного диода, варикапа, стабилитрона,
светодиода, туннельного диода.
7. Какое свойство p-n перехода использует варикап?
8. Какой способ включения p-n перехода используется в стабилитронах?
9. Какие условия необходимо выполнить, чтобы параметрический
стабилизатор на основе стабилитрона находился в стабильном рабочем
режиме?
10. На каком принципе работает фотодиод? Чем он отличается от
фоторезистора?
11. Для каких целей можно использовать туннельный диод?