Полупроводниковые диоды. Лекция 2

1.

Полупроводниковые диоды
Доц., к.т.н. Мурашов Ю.В.
[email protected]

2.

Полупроводниковые диоды
Общие сведения. Прямое включение p-n
перехода. Обратное включение p-n
перехода. Вольтамперная
характеристика p-n перехода. Барьерная
емкость p-n перехода. Пробой p-n
перехода. Разновидности диодов
[email protected]

3.

Общие сведения
Область называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом, а прибор с одним p-n переходом
– полупроводниковым диодом или вентилем.
-
Анод
n
p
+
-
+
-
p
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
n-тип
электронная
проводимость
+
+
-
+
n
p
+
E
p-тип
дырочная
проводимость
n
+
-
+
+
-
+
+
-
+
-
p
Катод
+
-
n

4.

Общие сведения
E
lp
ln
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
n
-
+
+
+
+
+
p
E
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
-
+
+
+
+
+
-
+
-
+
+
-
+
-
+
-
-
+
-
-
-
+
-
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
0
-
-
n
-
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
+
+
+
+
+
-
+
+
p
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
k
x
E
p-n переход
x
Изменение потенциала в направлении,
перпендикулярном плоскости p-n перехода

5.

Общие сведения
E
-
-
-
-
-
0
-
-
n
-
-
-
+
-
-
+
+
+
-
+
-
+
+
+
+
+
-
+
+
p
+
+
+
+
Высота потенциального барьера:
+
+
+
+
k
+
+
k
W
q
Диффузионный ток:
x
I диф I p p I nn
E
Дрейфовый ток:
x
I дрейф I pn I np

6.

Прямое включение p-n
перехода
l
1
-
-
-
-
-
-
n
-
-
+
-
+
+
+
+
p
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
-
+
-
+
+
+
+
+
-
+
-
+
+
-
+
-
-
-
+
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
I диф
+
E
U
qU
I пр I диф I 0 I 0 exp
kT
qU
I 0 exp
kT
Результирующий ток (прямой ток
диода) будет равен:
Eи
0
Изменение диффузионного тока с
изменением напряжения происходит
по экспоненциальному закону:
k 1 k U
x
1

7.

Обратное включение p-n перехода
l2
-
-
-
-
-
-
n
+
-
+
-
+
+
-
+
+
-
+
p
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Уменьшение диффузионного тока
происходит по экспоненциальному
закону,
тогда
обратный
результирующий ток через p-n
переход будет равен:
+
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
-
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
-
+
-
-
-
-
-
+
+
E
U
Eи
I обр
0
k 2 k U
x
qU
I 0 exp
kT
1

8.

Прямое и обратное lвключения p-n перехода
l2
1
-
-
-
-
-
-
n
-
-
+
-
+
+
+
p
+
+
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+
Eи
U
+
+
p
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
Eи
+
-
+
+
+
+
-
+
+
-
+
+
+
+
-
+
+
+
-
-
+
-
-
+
+
-
-
E
+
+
+
+
+
+
-
-
+
-
-
-
+
+
E
U
0
-
n
-
+
-
-
-
-
+
-
-
-
+
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
-
+
-
+
+
+
+
+
-
+
-
+
+
-
+
-
-
-
+
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
k 1 k U
x
0
Прямое включение
k 2 k U
Обратное включение
x

9.

Вольтамперная характеристика p-n перехода
Зависимость тока p-n перехода от приложенного к нему напряжения I=f(U) называют вольтамперной
характеристикой.
I I 0 e qU
а)
kT
б)
I пр
1
(1)
I пр
T2 T1
I0
U
U
I обр
U
U
I обр

10.

Барьерная емкость p-n перехода
dQ
Cб
dU
l0
(2)
Cб
Q qnSl (3)
k U
l l0
k
2 0
k
qn
(4)
0 S
l
Cдиф
(5)
k
k U
dQинж
dU
(6)
(7)

11.

Пробой p-n перехода
Электрический
пробой
Пробой p-n перехода
Туннельный
пробой
Лавинный
пробой
I пр
Тепловой пробой
U обр
Лавинный
пробой
Тепловой
пробой
Туннельный
пробой
I обр
U пр

12.

Разновидности диодов
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним электрическим p-n переходом.
Классификация диодов:
• по основному полупроводниковому материалу;
• по физической природе процессов работы полупроводников;
1
• по технологии изготовления p-n перехода.
а)
Анод
б)
p
n
7
Катод
2
3
6
5
4
8

13.

Разновидности диодов
• Выпрямительные диоды – диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в
постоянный.
• Стабилитрон (диод Зенера) – диод, работающий в режиме (обратимого) пробоя p-n-перехода (см.
обратную ветвь вольт-амперной характеристики). Используются для стабилизации напряжения.
• Туннельный диод (диод Лео Эсаки) – диод, в котором используются квантовомеханические эффекты. На
вольт-амперной характеристике имеет область так называемого «отрицательного сопротивления».
Применяются как усилители, генераторы и пр.
• Обращённый диод – диод, имеющий гораздо более низкое падение напряжения в открытом состоянии,
чем обычный диод. Принцип работы такого диода основан на туннельном эффекте.
• Точечный диод – диод, отличающийся низкой ёмкостью p-n-перехода и наличием на обратной ветви
вольт-амперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Ранее
использовались в СВЧ-технике (благодаря низкой ёмкости p-n перехода) и применялись в генераторах и
усилителях (благодаря наличию на обратной ветви вольт-амперной характеристики участка с
отрицательным дифференциальным сопротивлением).

14.

Разновидности диодов
• Варикап (диоды Джона Джеумма) – диод, обладающий большой ёмкостью при запертом p-n-переходе,
зависимой от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной
ёмкости (управляемых напряжением).
• Светодиод (диоды Генри Раунда) – диод, отличающийся от обычного диода тем, что излучает фотоны
при рекомбинации электронов и дырок в p-n-переходе. Выпускаются светодиоды с излучением в
инфракрасном, видимом, а с недавних пор и в ультрафиолетовом диапазоне.
• Полупроводниковый лазер – диод, близкий по устройству к светодиоду, но имеющий оптический
резонатор. Излучает когерентный свет.
• Фотодиод – диод, управляемый светом.
• Солнечный элемент — диод, похожий на фотодиод, но работающий без смещения. Падающий на p-n
переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.
• Диод Ганна – диод, используемый для генерации и преобразования частоты в СВЧ-диапазоне.

15.

Разновидности диодов
• Диод Шоттки – диод с малым падением напряжения при прямом включении.
• Лавинный диод – диод, принцип работы которого основан на лавинном пробое (см. обратный участок
вольт-амперной характеристики). Применяется для защиты цепей от перенапряжений.
• Лавинно-пролётный диод – диод, принцип работы которого основан на лавинном умножении
носителей заряда. Применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике.
• Магнитодиод – диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения
индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n перехода.
• Стабистор – диод, при работе которых используется участок ветви вольт-амперной характеристики,
соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
• Смесительный диод – диод, предназначенный для перемножения двух высокочастотных сигналов.
• pin-диод – диод, обладающий меньшей ёмкостью за счёт наличия между сильнолегированными
полупроводниками p- и n-типов материала, характеризующегося собственной проводимостью.
Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.

16.

Разновидности диодов
Выпрямительные диоды
а)
б)
I пр
I пр
70 С
20 С
50 С
Ge Si
0,2 0,4 0,6 0,8
U , В U
U
I обр

17.

Спасибо за внимание
[email protected]