Модели полупроводниковых диодов - OXFORDST.RU

Модели полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды: виды и характеристики

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали. В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

Устройство

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц. Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами. Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Фото — полупроводниковый диод

Для создания полупроводниковых диодов используются германий и селен, как и более 100 лет назад. Их структура позволяет использовать детали для улучшения электронных схем, преобразования переменного и постоянного тока в однонаправленный пульсирующий и для совершенствования разных устройств. На схеме он выглядит так:

Фото — обозначение диода

Существуют разные виды полупроводниковых диодов, их классификация зависит от материала, принципа работы и области использования: стабилитроны, импульсные, сплавные, точечные, варикапы, лазер и прочие типы. Довольно часто используются аналоги мостов – это плоскостной и поликристаллический выпрямители. Их сообщение также производится при помощи двух контактов.

Основные преимущества полупроводникового диода:

  1. Полная взаимозаменяемость;
  2. Отличные пропускные параметры;
  3. Доступность. Их можно купить в любом магазине электро-товаров или снять бесплатно со старых схем. Цена начинается от 50 рублей. В наших магазинах представлены как отечественные марки (КД102, КД103, и т. д.), так и зарубежные.

Маркировка

Маркировка полупроводникового диода представляет собой аббревиатуру от основных параметров устройства. Например, КД196В – кремниевый диод с напряжением пробоя до 0,3 В, напряжением 9,6, модель третьей разработки.

Исходя из этого:

  1. Первая буква определяет материал, из которого изготовлен прибор;
  2. Наименование устройства;
  3. Цифра, определяющая назначение;
  4. Напряжение прибора;
  5. Число, которое определяет прочие параметры (зависит от типа детали).

Видео: применение диодов

Принцип работы

Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.

Фото — принцип работы

Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.

Фото — характеристики полупроводников

ВАХ-характеристики

Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен и некоторых параметров. Например, идеальный полупроводниковый выпрямитель или диод имеет следующие параметры:

  1. Сопротивление при прямом подключении – 0 Ом;
  2. Тепловой потенциал – VG = +-0,1 В.;
  3. На прямом участке RD > rD, т. е. прямое сопротивление больше, чем дифференциальное.

Если все параметры соответствуют, то получается такой график:

Фото — ВАХ идеального диода

Такой диод использует цифровая электротехника, лазерная индустрия, также его применяют при разработке медицинского оборудования. Он необходим при высоких требованиях к логическим функциям. Примеры – лазерный диод, фотодиод.

На практике, эти параметры очень отличаются от реальных. Многие приборы просто не способны работать с такой высокой точностью, либо такие требования не нужны. Эквивалентная схема характеристики реального полупроводника демонстрирует, что у него есть серьезные недостатки:

Фото — ВАХ в реальном полупроводниковом диоде

Данная ВАХ полупроводникового диода говорит о том, что во время прямого включения, контакты должны достигнуть максимального напряжения. Тогда полупроводник откроется для пропуска электронных заряженных частиц. Эти свойства также демонстрируют, что ток будет протекать нормально и без перебоев. Но до момента достижения соответствия всех параметров, диод не проводит ток. При этом у кремниевого выпрямителя вольтаж варьируется в пределах 0,7, а у германиевого – 0,3 Вольт.

Работа прибора очень зависит от уровня максимального прямого тока, который может пройти через диод. На схеме он определяется ID_MAX. Прибора так устроен, что во время включения прямым путем, он может выдержать только электрический ток ограниченной силы. В противном случае, выпрямитель перегреется и перегорит, как самый обычный светодиод. Для контроля температуры используются разные виды устройств. Естественно, некоторые из них влияют на проводимость, но зато продлевают работоспособность диода.

Еще одним недостатком является то, что при пропуске переменного тока, диод не является идеальным изолирующим устройством. Он работает только в одном направлении, но всегда нужно учитывать ток утечки. Его формула зависит от остальных параметров используемого диода. Чаще всего схемы его обозначают, как IOP. Исследование независимых экспертов установило, что германиевые пропускают до 200 µА, а кремниевые до 30 µА. При этом многие импортные модели ограничиваются утечкой в 0.5 µА.

Фото — отечественные диоды

Все разновидности диодов поддаются напряжению пробой. Это свойство сети, которое характеризуется ограниченным напряжением. Любой стабилизирующий прибор должен его выдерживать (стабилитрон, транзистор, тиристор, диодный мост и конденсатор). Когда внешняя разница потенциалов контактов выпрямительного полупроводникового диода значительно выше ограниченного напряжения, то диод становится проводником, в одну секунду снижая сопротивление до минимума. Назначение устройства не позволяет ему делать такие резкие скачки, иначе это исказить ВАХ.

Статические и динамические модели полупроводниковых диодов. Линеаризированная статическая модель полупроводникового диода.

Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне.

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.

Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Читайте также  Жизнь и разум во Вселенной проблема внеземных цивилизаций

Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке RL. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора RV применяется источник тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Полупроводниковая структура и принцип работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор (обычно его называют просто транзистором) – это полупроводниковый прибор с двумя или более взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов.

Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, к которых принимают участие носители заряда, как электроны, так и дырки.

Структура биполярного транзистора представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы три области с чередующимися типами электропроводности. На границах этих областей возникают электронно-дырочные переходы. От каждой области полупроводника сделаны токоотводы (омические контакты). Среднюю область транзистора, расположенную между электронно-дырочными переходами, называют базой (Б). Примыкающие к базе области обычно делают неодинаковыми. Одну из областей делают так, чтобы из неё наиболее эффективно проходила инжекция носителей в базу, а другую – так, чтобы p-n-переход между базой и этой областью наилучшим образом собирал инжектированные в базу носители, то есть осуществлял экстракцию носителей из базы.

Рис. 3.1. Схематическое изображение структуры биполярного транзистора

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а p-n-переход между базой и эмиттером – эмиттерным (ЭП). Область транзистора, основным назначением которой является собирание, экстракция носителей заряда из базы, называют коллектором (К), а p-n-переход между базой и коллектором – коллекторным (КП). В зависимости от типа электропроводности крайних слоев (эмиттера и коллектора) различают транзисторы p-n-p и n-p-n типа.

Рис. 3.2. Условные обозначения транзисторов: а – транзистор p-n-p типа; б – транзистор n-p-n типа

Полупроводниковый диод

Устройство, параметры и разновидности диодов

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Читайте также  Зоогигиена с основами ветеринарии

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Виды полупроводниковых диодов: стабилитрон, стабистор, диод Шоттки, варикап и др

Стабилитрон

Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Условное графическое обозначение стабилитрона представлено на рис. 1.44, а.

В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно. Говорят, что стабилитрон стабилизирует напряжение. Изобразим для примера вольт-амперные характеристики кремниевого стабилитрона Д814Д (рис. 1.45).

В стабилитронах может иметь место и туннельный, и лавинный, и смешанный пробой в зависимости от удельного сопротивления базы. В стабилитронах с низкоомной базой (низковольтных, до 5,7 В) имеет место туннельный пробой, а в стабилитронах с высокоомной базой (высоко­вольтных) — лавинный пробой.

Основными являются следующие параметры стабилитрона: uст— напряжение стабилизации (при заданном токе в режиме пробоя); iст.мин — минимально допустимый ток стабилизации;

iст.макс— максимально допустимый ток стабилизации;

rт — дифференциальное сопротивление стабилитрона (на участке пробоя), rт = du / di;

αuст (ТКН) — температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Величины u ст, iст.мин и iст.макс принято указывать как положительные.

Не рекомендуется использовать стабилитрон при обратном токе, меньшем по модулю, чем i ст.мин, так как стабилизация напряжения при этом будет неудовлетворительной (дифференциальное сопротивление будет чрезмерно большим). Если же обратный ток по модулю превысит i ст.макс, то стабилитрон может перегреться, начнется тепловой пробой и прибор выйдет из строя. Чем меньше величина rт, тем лучше стабилизация напряжения.

По определению α u ст — это отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

Пусть при температуре t1 напряжение стабилизации было равно u ст1 . Тогда при температуре t2 напряжение стабилизации u ст2 можно в соответствии с определением α u ст вычислить по формуле uст2=uст1+uст1· αuст· ( t2 — t1)

Для стабилитрона Д814Д (при t = 25 ° С): iст.мин= 3 мА,iст.макс= 24 мА, rт — не более 18 Ом,αu ст — не более 0,00095 1/ ° С.

Для примера применения стабилитрона обратимся к схеме так называемого параметрического стабилизатора напряжения (рис. 1.46).

Легко заметить, что если напряжение uвх настолько велико, что стабилитрон находится в режиме пробоя, то изменения этого напряжения практически не вызывают изменения напряжения ивых (при изменении напряжения uвх изменяется только ток i, а также напряжение uR: uR = i · R).

В режиме пробоя отсутствует инжекция неосновных носителей, и поэтому нет накопления избыточных зарядов. Вследствие этого стабилитрон является быстродействующим прибором и хорошо работает в импульсных схемах.

Стабистор

Это полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений.

Диод Шоттки

В диоде Шоттки используется не p-n-переход, а выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Условное графическое обозначение диода Шоттки представлено на рис. 1.44, б.

Обратимся к соответствующей зонной диаграмме (рис. 1.47), которую полезно сравнить с зонной диаграммой для невыпрямляющего контакта.

Для выпрямляющего контакта металл-полупроводник n-типа характерно то, что контактная разность потенциалов φмп = φм — φп положительна: φмп > 0.

Если подключить источник внешнего напряжения плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику n-типа, то потенциальный барьер понизится и через переход начнет протекать прямой ток. При противоположном подключении потенциальный барьер увеличивается и ток оказывается очень малым.

При работе диода Шоттки отсутствуют инжекция неосновных носителей и соответствующие явления накопления и рассасывания, поэтому диоды Шоттки — очень быстродействующие приборы, они могут работать на частотах до десятков гигагерц ( 1 ГГц = 1 · 10 9 Гц). У диода Шоттки может быть малый обратный ток и малое прямое напряжение (при малых прямых токах) — около 0,5 В, что меньше, чем у кремниевых приборов. Максимально допустимый прямой ток может составлять десятки и сотни ампер, а максимально допустимое напряжение — сотни вольт.

Для примера изобразим прямые ветви вольт-амперных характеристик (рис. 1.48) кремниевого диода КД923А с барьером Шоттки (диода Шоттки), предназначенного для работы в импульсных устройствах.

Для него iпр.макс= 100 мА,u обр.макс= 14В (при t

Читайте также  Место парламента в системе разделения властей

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Полезно отметить, что проверка диода тестером не допускается. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах — более 1 ГГц.

Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов.

В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

Обращенный диод

Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде, поэтому зачастую обращенный диод рассматривают как вариант туннельного диода. При этом участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обращенного диода отсутствует или очень слабо выражен.

Модели полупроводниковых диодов

При протекании прямого тока в переходе преобладает диффузионная компонента тока, состоящая из основных носителей заряда, преодолевающих потенциальный барьер и пронимающих

Модели полупроводниковых диодов

Другие контрольные работы по предмету

Сибирский государственный университет информации и телекоммуникаций

Модели полупроводниковых диодов

1.Исследование зависимости времени жизни от концентрации легирующей примеси

2.Исследование свойств диффузионной длины неосновных носителей

3.Исследование модели тока насыщения IS идеального диода в модели Шокли

4.Исследование модели контактной разности потенциалов

5.Исследование модели толщины ОПЗ

1.Исследование влияния процессов генерации-рекомбинации в ОПЗ на вид ВАХ для PSPICE модели диода

2.Исследование влияния температуры и концентрации примесей в База на вид ВАХ для PSPICE модели идеального диода

3.Исследование влияние процессов высокого уровня инжекции на вид ВАХ для PSPICE модели диода

4.Исследование влияние процессов высокого уровня инжекции на вид ВАХ для PSPICE модели диода

1.Исследования влияние концентрации в базе и температуры на значение равновесной барьерной емкости Cj0 (при U=0

2.Исследование ВФХ барьерной емкости в зависимости от ее входных параметров

3.Исследование ВФХ диффузионной емкости в зависимости от ее входных параметров

4.Исследование ВФХ барьерной и диффузионной емкости на совмещенном графике

Лабораторная работа №3

Тема: «МОДЕЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ»

Цель работы: Изучить основные физические модели p-n переходов, находящихся в равновесном состоянии и при электрическом смещении, а так же модели ВАХ диодов, соответствующие различным процессам (генерация-рекомбинация в ОПЗ, высокий уровень инжекции, явление пробоя) в зависимости от учитываемых параметров в схемотехнической модели диода для программы PSPICE в режиме работы на постоянном токе (DC режим).

  1. п/п Ge
  2. NЭ = 11018 см-3; NБ = 21015 см-3.
  3. LБ = 10мин; LЭ = 2мин; W = 500мин; H = 200мин.
  4. Sзахв = 210-16 см-2.
  5. Переход p-n.

Uобр = -50В; Т = 300К

Концентрационные зависимости подвижностей основных и неосновных носителей:

Эмиттер (Р)База (n)N/5N5NN/5N5NКонц. см-3210171101851018Конц. см-3410142101511016осн см2/Вс700380160осн см2/Вс450041003800неосн см2/Вс270020001200неосн см2/Вс200019001500

  1. Исследование зависимости времени жизни от концентрации легирующей примеси

Для Ge модель времени жизни носителей описывается формулой Шокли-Рида-Холла:

где Еt локальный уровень

Еi уровень Ферми собственного п/п

Nt концентрация ловушек

Т = 300К; NЭ = 11018 см-3; NБ = 21015 см-3.

При увеличение сечение захвата на 1% (при фиксированных N и Т=300К) время жизни неосновных носителей в базе уменьшается на 1%.

Время жизни определяется количеством и типом рекомбинации ловушек. Оно max в собственном п/п. С увеличением Т затрудняется захват носителей на уровни, поэтому их время жизни растет.

В реальных п/п время жизни неравновесных носителей заряда может составлять 10-210-10с.

  1. Исследование свойств диффузионной длины неосновных носителей

Модель диффузионной длины неосновных носителей определяется выражением:

где D коэффициент диффузии

— время жизни носителей.

Если Lнеосн (Б) L(Б), то диод с короткой базой.

Если Lнеосн (Б) L(Б), то диод с длиной базой.

В нашем варианте рассматривается диод с короткой базой т.к.

Lнеосн (Б) = 3,5410-5м, L(Б)=110-5м, Lнеосн (Б) L(Б)).

Lнеосн (Э), смGe1,60910-4Si5,91310-5

При смене типа материала с Ge на Si диффузионная длинна неосновных носителей в эмиттере уменьшается.

При увеличении сечения захвата на 1% (при фиксированных N и Т=300К) диффузионная длина неосновных носителей в базе уменьшается на 0,56%.

Чем меньше примесей и дефектов в полупроводнике, тем больше время жизни носителей, и соответственно диффузионная длина этих носителей.

  1. Исследование модели тока насыщения ISидеального диода в модели Шокли

Модель тока насыщения идеального диода описывается формулой Шокли:

где S площадь поперечного сечения перехода

LP и Ln диффузионная длина электронов и дырок

P и P время жизни электронов и дырок

ND и NA концентрация ионизированных атомов.

Т,КN/5N5NЭ,БЭ,БЭ,Б300IS 10-8 А92,32242,29116,8313504451,082256,57939,7740086050,1741042,6318968,06

Если сечение захвата увеличить на 1% (при фиксированных N и T=300К), то ток насыщения увеличится на 0,5%.

Если площадь поперечного сечения увеличить на 1% (при фиксированных N и T=300К), то ток насыщения увеличится на 1%

Таким образом, чувствительность тока насыщения к изменению к площади поперечного сечения выше, чем к изменению сечение захвата.

П/п диода выполняет роль выпрямителя, пропуская ток лишь в одном направлении (выпрямитель тем лучше, чем меньше Iобр). При комнатной температуре ток Is составляет несколько мкА для Ge диодов и несколько нА для Si диодов.

  1. Исследование модели контактной разности потенциалов

Модель контактной разности потенциалов описывается следующим выражением:

NA и ND концентрация ионизированных атомов

ni собственная концентрация.

При смене типа материала с Ge на Si контактная разность потенциалов увеличивается.

Контактная разность потенциалов напряжение, который возникает в условии термодинамическом равновесие и ведет к прекращению диффузионного тока. При увеличении температуры, контактная разность уменьшается.

  1. Исследование модели толщины ОПЗ

Модель толщины ОПЗ описывается выражением:

NA и ND концентрация ионизированных атомов

φК контактная разность потенциалов.

Зависимость положения границ ОПЗ

а) в зависимость от концентраций в Б и Э при Т=300К

б) в зависимости от температуры при фиксированном N.

При смене типа материала с Ge на Si толщина ОПЗ увеличивается.

Зависимость толщины ОПЗ при Т=300К от U при прямом и обратном смещениях напряжения на диоде.

Толщина ОПЗ при увеличении температуры уменьшается незначительно.

Снижение высоты потенциального барьера при U0 позволяет основным носителям пересекать область перехода, при этом они становятся неосновными носителями, создавая заметный ток (при Uпр, W). При U0 эффекты диффузии более ощутимы, чем эффекты дрейфа (при Uобр, W).

  1. Исследование влияния температуры и концентрации примесей в База на вид ВАХ для PSPICE модели идеального диода

Модель ВАХ идеального диода:

Is ток насыщения

φT тепловой потенциал.

Модель идеального диода в логарифмическом масштабе:

Изменение концентрации примеси в базе влияет на ток насыщения (при увеличении концентрации, ток насыщения уменьшается), при этом ВАХ изменяется следующим образом:

Для реальных переходов величина Is не является постоянной и в момент зависеть от напряжения, приложенного к переходу.

Это может быть вызвано, например, изменением свойств п/п (время жизни носителей, концентрации примесей) по объему Is в основном определяется удельным сопротивлением материала с ρ, Is (что обусловлено увеличением концентрации неосновных носителей).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: