Тема 6. Полупроводниковые диоды и тиристоры

ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковыми диодами называются двухэлектродные приборы c односторонней проводимостью тока. Односторонняя проводимость обуславливается наличием «р-п» перехода или перехода металл – полупроводник.

Переходы типа «р-п» образуется в области, примыкающей к металлургической границе между двумя полупроводниками с различными типами проводимости.Если монокристалл полупроводникового материала с одного конца легировать примесями, создающими избыток положительных зарядов (р), а с другого конца примесями, создающими избыток электронов (п),то между областями с различным типом проводимости образуется «р-n»-переход. Часть положительных зарядов из области р диффундируют в область п. Аналогичным образом электроны из области п диффундируют в область р. В тонком слое между областями п и р электроны и положительные заряды рекомбинируют, и так как этот слой в результате имеет очень мало свободных носителей заряда, его называют обедненным слоем. Этот слой действует как потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии носителей зарядов. (см.рис. 6.1.а).

Рис. 6.1. а) -полупроводниковый «р-п»-переход с потенциальным барьером,

образованным диффузией носителей зарядов.

б)- вольтамперная характеристика р-п перехода.

Если внешнее напряжение приложено к выводам (А-К) таким обра­зом, что точка «А» имеет положительный потенциал по отношению к точке «К», то будет наблюдаться уменьшение толщины обедненного слоя. Потенциальный барьер при этом снижается. Это способствует протеканию тока через переход (прямой ток). С увеличением внешнего напряжения ток через переход возрастает по экспоненциальному закону до тех пор, пока внешнее напряжение не станет равным величине потенциального барьера, т. е. результирующее напряжение на переходе станет равным нулю. Дальнейшее возрастание тока через переход ограничивается только сопротивлением полу­проводникового материала.

Если полярность внешнего напря­жения изменить на обратную, то величина потенциального барь­ера возрастет и основные носители окажутся блокированными. В этих условиях, однако, через переход будет протекать очень малый ток, называемый обратным током.При возрастании внешнего обратного напряжения этот ток остается постоянным, пока напряжение не достигнет точки пробоя. В этой точке при постоян­ном напряжении ток быстро возрастает (рис. 6.1.б).

Таким образом, так как прямой ток намного больше обратного (в тысячу и больше раз), полупроводниковый диод обладает вентильными свойствами, т.е. преимущественно пропускает ток только в одном направлении. Обратное пробивное напряжение (Uобр.проб.) может быть сделано равным сотням вольт и даже нескольким киловольтам. На рис. 6.2. изображены вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов.

 

 

 

Рис.6.2. Вольтамперные статические характеристики кремниевого (1)

и германиевого (2) полупроводниковых диодов.

 

 

Существенными недостатками полупроводниковых диодов на основе р-п –переходов являются относительно большие падение на них напряжения.

Выпрямители такие диодах не выгодно использовать для получения низких постоянных напряжений, равных 1,5…2В. А именно такие напряжения при больших токах нагрузки в настоящее время используются для питания интегральных микросхем.

Значительно меньше падение прямого напряжения достигается при использовании диодов с переходом металл-полупроводник (диоды Шоттки).

Структура диода Шоттки (а) и его вольтамперная характеристика(б) приведены на рис.6.3. На этом же рисунке приведена для сравнения вольтамперная характеристика кремниевого полупроводникового диода, построенного на основе «р-п»-перехода. Сравнение вольтамперных характеристик показывает, что падение напряжение на диоде Шоттки в два раза меньше, чем на диоде на основе «р-п»-перехода.

 

Рис.6.3. Структура диода с барьером Шоттки (а) и его вольтамперная

характеристика (б). Прямой ток показан в мА., а обратный в мкА.

Другим преимуществом диодов Шоттки является возможность использования их на значительно более высоких рабочих частотах. Это обусловлено тем, что в диодах Шоттки неосновные носители не используются. Ток через него представляет собой поток только основных носителей - электронов. Исключение неосновных носителей означает, что проблема накопления заряда полностью снимается. Этим объясняются хорошие ключевые характеристики диода Шоттки.