Напівпровідникові стабілітрони

Напівпровідникові стабілітрони – це діоди на зворотній гілці вольт-амперної характеристики яких є дільниця зі слабою залежністю напруги від струму, тобто стабілітрон працює в режимі електричного пробою. Величина напруги пробою, або напруга стабілізації, залежить від опору базової області діода. Якщо необхідно отримати напругу стабілізації до 3 В, то використовуються вузькі p-n переходи і має місце тунельний механізм пробою. Якщо необхідно отримати напругу стабілізації від 3 В до 7 В, то може використовуватись лавинний і тунельний механізми пробою. При напругах стабілізації більше 7 В використовуються широкі p-n переходи і лавинний механізм пробою. На електричних схемах напівпровідникові стабілітрони позначаються як показано на рис. 2.5.

а) б)

Рисунок 2.5 – Односторонній стабілітрон і його вольт-амперна характеристика (а); двухсторонній стабілітрон і його вольт-амперна характеристика (б)

Основними характеристиками напівпровідникових стабілітронів є напруга стабілізації U_ст і струм стабілізації I_ст, динамічний опір і температурний коефіцієнт напруги.

Величина динамічного (диференціального) опору характеризує нахил робочої області і, інакше кажучи, ступінь стабільності напруги стабілізації при зміні струму стабілізації

.

В залежності від напівпровідникові стабілітрони можна розділити на дві групи: регулюючі (загального призначення) і опорні (прецизійні).

Регулюючі в основному використовуються в стабілізаторах і обмежувачах постійної та імпульсної напруги. Прецизійні служать джерелами еталонної напруги в схемах, де вимагається висока ступінь стабілізації напруги.

Температурний коефіцієнт напруги (ТКН) стабілітрона показує як змінюється відносна напруга стабілізації при зміні температури на 1 град при постійному струмі стабілізації

.

У низьковольтних стабілітронів ТКН негативний (U_ст<5,4 В). В більш високовольтних – ТКН позитивний. В таких стабілітронах для зниження ТКН паралельно зі стабілітроном, що працює в нормальному режимі (зворотньому), вмикають один або декілька стабілітронів, що працюють при прямій напрузі. Це зумовлено тим, що пряма гілка вольт-амперної характеристики має від’ємний ТКН. Замість стабілітронів можна вмикати і звичайні випрямляючі діоди. До параметрів стабілітронів слід віднести також коефіцієнт стабілізації К_ст, який визначається як відношення відносної зміни напруги на вході до відносної зміни напруги на виході стабілітрона.

,

де і – номінальні напруги на вході і на виході стабілітрона.

В електричне коло стабілітрон вмикається за схемою, приведеною на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 – Схема включення стабілітрона

Принцип роботи стабілізатора напруги полягає в наступному. При зміні напуги на вході змінюється струм, що протікає через стабілітрон, а напруга на стбілітроні та опорі навантаження будуть постійними. При цьому змінюється падіння напруги на балансному опорі R_бал. Стабілізація забезпечується при умові, що при максиальній зміні U_вх струм, який протікає через стабілітрон не виходить за межі I_max – I_min (рис. 2.5,а). Величина балансного опору R_бал вибирається таким чином, щоб при номінальній напрузі на вході, струм стабілітрона рівнявся деякому середньому значенню I₀.

Слід відмітити, що для виготовлення стабілітронів з невеликими напругами стабілізації (0,3…1 В), використовується пряма гілка ВАХ p-n переходу. Такі прилади називаються стабісторами.

Особливою групою серед напівпровідникових стабілітронів є кремнієві симетричні обмежувачі напруги (КСОН), або двосторонні стабілітрони (рис. 2.5,б), які характеризуються симетричною ВАХ відносно початку координат та можуть бути використані для усунення перенапруження в приладах перетворювальної техніки, в потужних обмежувачах напруги. Ці прилади випускаються на робочі напруги до 5000 В при струмі до 1 А.

Варикапи

Варикапи – це напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність ємності p-n переходу від зворотної напруги, тобто це елемент з електрично керуваною величиною електроємності. Напівпровідниковим матеріалом для виготовлення варикапів служить Si. При зміні напруги на p-n переході змінюється заряд в подвійному електричному шарі, що еквівалентно деякій ємності

.

Ємність, яка виникає при прямому зміщенні називається дифузійною і її можна визначити за виразом

,

де t – стала часу.

Ця ємність не використовується, оскільки при прямому зміщенні протікає відносно великий струм і тому вона характеризується широкою

Залежність бар’єрної ємності від напруги на p-n переході можна визначити за виразом

, (2.2)

де – відносна діелектрична проникність напівпровідника;

– діелектрична стала;

– контктна різниця потенціалів;

– зворотна напруга.

У відповідності з виразом (2.2) можна побудувати вольт-амперну характеристику варикапа (рис. 2.7).

Рисунок 2.7 – Вольт-фарадна характеристика варикапа і його позначення на електричних схемах

Основними параметрами варикапів є максимальна загальна ємність варикапа С_ВМАХ, яка визначається найчастіше при невеликих зворотніх напругах (-2…-4 В). Коефіцієнт перекриття ємності К_С = С_МАХ /С_MIN. Для більшості варикапів С_ВМАХ =10…500 пФ, а коефіцієнт перекриття ємності К_С = 2…20 пФ. До параметрів відносяться також добротність варикапа, яка для широкорозповсюджених варикапів рівняється біля 50.

Варикапи використовуються в приладах керування частотою та фазою ВЧ та НВЧ коливань, у системах автоматичного підстроювання частоти та дистанційного керування, в параметричних підсилювачах з малим рівнем власних шумів.

Варикапи, які використовуються в помножувачах частоти і характеризуються значною нелінійністю ВАХ називаються варакторами.

Випрямляючі діоди

Випрямляючі діоди призначені для перетворення змінного струму пониженої частоти в постійний і вони розподіляються на випрямляючі діоди I_випр < 10 А та силові вентилі (I_сер > 10 А). Гранична робоча частота випрямляючих діодів не перевищує 5…20 кГц. Останнім часом в нашій країні розроблені та серійно випускаються силові вентилі типу ВЧ, що працюють на частотах 200 кГц.

Основою випрямляючого діода є напівпровідникова прямокутна або круглої форми пластина з p-n переходом. На пластину з двох сторін наносять металеві контакти, до яких під’єднуються зовнішні електроди. Отриманий випрямляючий елемент розміщзують в корпус, що забезпечує необхідну механічну міцність та захист від дії навколишнього середовища.

Мінімальна товщина напівпровідникової пластини залежить від її механічної міцності. Завдяки цьому ширина базової області p-n переходу набагато більше ширини емітерної області. Для виготовлення діодів як вихідний матеріал використовують напівпровідники n -типу, і тому базова область діода має електронну провідність і концентрація домішок в базі набагато менша, ніж в емітері, тому опір бази набагато більший за опір емітера і приблизно рівний по величині опору p-n переходу. Площа p-n переходу залежить від допустимої величини струму, але максимальна величина площі визначається механічною міцністю напівпровідникової пластини, яка в свою чергу залежить від якості контактів металевих електродів та напівпровідників, які мають різні коефіцієнти лінійного розширення. Тому в процесі експлуатації при багаторазових циклах нагріву (за рахунок протікання прямого струму) та охолодження можливе розтріскування напівпровідниковіх пластинок великої площі через явище стомлювання.

ВАХ та параметри випрямлюючого діоду відрізняються від аналогічних для ідеального p-n переходу завдяки впливу ширини базової області, якості контактів та поверхні напівпровідника.

Ця різниця показана на рис. 2.8 де приведена ВАХ ідеального переходу (крива 1) і реального діода (крива 2). Прямі гілки ВАХ відрізняються на величину ∆U, що являє собою суму падінь напруги на контактах U_К в областях емітера U_Е і бази U_Б: ∆U = U_К +U_Е + U_Б.

Для наближених розрахунків можна знехтувати падінням напруги в області емітера та на контактах, опір яких набагато менший опору бази.

Рисунок 2.8 – Вольт-амперна характеристика випрямляючого діода

З урахуванням цього припущення ВАХ діода можливо описати рівнянням

,

яке справедливе для невеликих ділянок ВАХ, що характеризуються низькими значеннями прикладеноїнапруги (прямої і зворотної).

При підвищенні прямої напруги потенціальний бар’єр p-n переходу дещо знижується і практично перестає впливати на прямий струм діода, значення якого в основному залежить від опору базової області. Внаслідок цього струм діоду лінійно залежить від напруги.

Цей відрізок прямої гілки ВАХ, що називається омічним, описується наближеним рівнянням

І = (U – U₀)/R_д ,

де U₀ – напруга відсікання, рівна відрізку, що відсікається на осі напруг лінійною частиною характеристики;

R_д – динамічний опір, що характеризує нахил лінійної частини характеристики (рис. 2.9).

Опір R_д збільшується при підвищенні температури. Про це свідчить зменшення кута нахилу з підвищенням температури. Параметри U₀ і R_д знаходяться з ВАХ (рис. 2.9) або приймаються рівними U₀ =(0,4...0,7)φ₀ , R_д = r_б .

На кривій зворотного струму І_зв діода відсутня дільниця насичення, характерна для ідеального діода з p-n переходом. Ріст струму зумовлений ефектами генерації і лавинного розмноження носіїв заряду в об’ємі p-n переходу, а також впливом поверхневих струмів втечі.

Рисунок 2.9 – Вольт-амперна характеристика випрямляючого діода

Рівняння для зворотного струму має вигляд

I_ЗВ = М(I₀ + І_T)+I_вт ,

де М – коефіцієнт лавинного розмноження носіїв заряду, який залежить від властивостей напівпровідникових областей, що створюють p-n перехід , а також від величини зворотної напруги;

I₀ – струм насичення, зумовлений генерацією носіїв заряду за межами області p-n переходу;

I_T – струм термогенерації, зумовлений генерацією носіїв заряду в області p-n переходу;

I_вт – струм втечі, зумовлений поверхневою електропровідністю поверхні напівпровідника у p-n переході.

Вітчизняною промисловістю випускається широка номенклатура германієвих і кремнієвих випрямляючих діодів на струми до 500 А і на зворотні напруги до 1000 В.

Найпростіша схема випрямляча на напівпровідниковому діоді має вигляд, наведений на рис. 2.10.

Рисунок 2.10 – Схема випрямляча на напівпровідниковому діоді

В селеновому випрямлячі p-n структуру складає дірковий полікристалічний селен, який знаходиться в стальній або алюмінієвій підкладці і покриваючий з зовнішньої сторони тонким шаром селеніда кадмія, який має електронну провідність.

Тунельні діоди

Тунельними діодами називаються напівпровідникові діоди, p-n перехід яких утворюється з двох вироджених напівпровідників. Виродженими називають напівпровідники з високою концентрацією носіїв заряду порядка 10¹⁹ См^-3 і більше

В 1958 році було встановлено, що такі напівпровідники мають аномальну ВАХ (рис. 2.11). На відміну від інших діодів вони добре проводять струм не тільки в прямому, але й в зворотньому напрямках, а на прямій гілці ВАХ має місце ділянка струму. Аномальний хід характеристики сильно легованих p-n структур зумовлений, як було встановлено, тунельним ефектом. Як відомо, частинка, що має енергію, недостатню для проходження через потенціальний бар’єр, може все ж таки пройти крізь нього, якщо з другої сторони цього бар’єру є такий же вільний енергетичний рівень, який займала частинка перед бар’єром. Це явище називається тунельним ефектом. В квантовій механіці показується, що ймовірність тунельного переходу тим вища, чим вужчий потенціальний бар’єр і чим менша його висота. Тунельний перехід здійснюється електронами без витрат енергії.

Рисунок 2.11 – Вольт-амперна характеристика тунельного діода

В звичайних діодах, які мають концентрацію домішок в менш легованій області 10¹⁷ 1/см³, товщина p-n переходу порівняно велика і ймовірність тунельного переходу мала.

В тунельних діодах завдяки високій концентрації товщина p-n переходу становить 0,01 мкм, тобто бар’єр є дуже вузьким. В цих умовах ймовірність тунельного переходу електронів через бар’єр виявляється значною, що і призводить до зміни вигляду його характеристики.

Розглянемо енергетичну діаграму сильно легованої p-n структури при різних значеннях прикладеної до неї напруги. Внаслідок високої концентрації домішок локальні рівні в такій структурі перетворюються в суцільну зону, а рівень Фермі зміщується в зону провідності в n–області і в валентну зону p-області. Напівпровідники такого типу називаються виродженими. Енергетична діаграма тунельного діоду при нульовому зміщенні приведено на рис. 2.12. Штриховкою показані енергетичні рівні, які заповнені електронами. В цьому випадку електрони можуть здійснювати тунельні переходи в обох напрямках; в стані рівноваги сумарний струм дорівнює нулю.

Рисунок 2.12 – Енергетична діаграма тунельного діода

Якщо на тунельний діод подано зворотню напругу, то енергетичні зони зміщуються таким чином, що напроти заповнених рівнів валентної зони p-області розміщуються вільні рівні зони провідності n-області (рис. 2.13). При цьому домінуючим буде потік електронів, які здійснюють тунельний перехід із валентної зони p-області в зону провідності n-області, що приведе до зростання зворотнього струму діода. Нагадаємо, що в звичайних діодах зворотній струм невеликий, оскільки він створюється за рахунок екстракції неосновних носіїв, які мають малу концентрацію.

Якщо на тунельний діод подано пряме зміщення, то заповнені рівні зони провідності n-області розміщуються напроти пустих рівнів валентної зони p- області і починає домінувати тунельний перехід електронів із зони провідності n-області в валентну зону p-області (рис. 2.14).

Рисунок 2.13 – Енергетична діаграма тунельного діода при подачі зворотної напруги

Рисунок 2.14 – Енергетична діаграма тунельного діода при прямому зміщенні

Тунельний струм, який створюється за рахунок цих переходів, має значно більшу величину ніж звичайний дифузійний струм, який показаний на характеристиці пунктиром (рис. 2.15). Він досягає максимального значення коли рівень Фермі p-області співпадає з верхнім рівнем валентної зони p-області, що відповідає напрузі на діоді порядка 40…50 мВ для германієвих діодів і 100…150 мВ для діодів із арсенід галію. При подальшому збільшенні прямого зміщення перекриття заповнених і пустих рівнів зменшується і тунельний струм падає. Коли зона провідності n-області повністю встане навпроти забороненої зони p-області, тунельний струм повинен впасти до нуля і в діоді повинна залишитись лише дифузійна складова струму. Однак в цьому режимі через діод тече надлишковий струм, який визначається локальними рівнями в забороненій зоні.

Рисунок 2.15 – Вольт-амперна характеристика тунельного діода

Параметрами тунельного діода є:

– величина струму в точці максимума (від міліампера до сотні міліампер);

– напруга роствору U_pp – пряма напруга, більша напруги впадини, при якій струм розриву рівний піковому;

– питома ємність С₀/I_n ;

– гранична резистивна частота f_Г – це розрахункова частота, на якій активна складова опору послідовної схеми, яка складається з опору p-n переходу і опору втрат дорівнює 0;

– резонансна частота f₀, Х=0, X_L=X_C;

– ємність p-n переходу X_C;

– індуктивність корпуса і виводів L.

Мінімальний струм і відношення I_max/I_min, яке, як правило, не перевищує 4. Від’ємна диференціальна провідність діода може досягати сотень мА/В. Наявність від’ємної провідності вказує на можливість використання цього пристрою для генерування і на можливість використання цього пристрою для генерування і підсилення коливань, перетворення сигналів і перемикання.

В зв’язку з тим, що перенесення заряду в тунельному діоді здійснюється основними носіями, проходження яких не зв’язано з накопиченням неврівноваженого заряду, прилад має надзвичайно малу інерційність. Гранична частота тунельного діода обмежується лише ємністю перереходу, розподіленим опором бази та індуктивності виводів і може досягати сотень Гц. Відмінною якістю є також малий рівень шумів, мале споживання потужності, стійкість до ядерного і теплового опромінення, мала вага і габарити.

Високочастотні діоди

Ge i Si ВЧ діоди з точковим контактом використовуються на частотах близьких до декілька сот МГц для випрямлення, детектування коливань та інших нелінійних перетворень.

Електронно-дірковий перехід в таких діодах створюється на місці контакту металевої (або бронзової) голки з пластиною Ge або Si. В результаті формовки, пропускання через діод коротких, але достатньо потужніх імпульсів, металева голка зварюється з напівпровідником і біля її вістря створюється p-n перехід. Друга площина пластини Ge припаюється до металевого кристалотримача і в місці спаю утворюється омічний контакт.

Оскільки площа переходу у точкових діодів порівняно мала, то допустима потужність розсіювання не перевищує 20…30 мВт, Прямий струм зазвичай не перевищує 50 мА, а пряма напруга – 1…2 В. Ge та Si точкові діоди допускають зворотню напругу до 200…300 В. Ємність переходу не перевищує одиниць пікофарад, а частотний діапазон поширюється до 150…200 МГц.

Для розширення частотного діапазону діода необхідно зменшувати ємність переходу С, опір діода Z та прямий опір p-n переходу R_пр.

Обернені діоди

Обернений діод – різновидність тунельного діоду, в якого струм піку
І_п = 0. Вольт-амперна характеристика та умовне позначення обернених діодів на електричних схемах приведено на рис. 2.16.

Рисунок 2.16 – Вольт-амперна характеристика оберненого діода і його позначення на електричних схемах (ТС – тунельний струм, ДС – дифузійний струм)

Якщо до оберненого діоду прикласти пряму напругу U_пр 0,3 В, то прямий струм діода І_пр = 0, навіть при невеликій зворотній напрузі (десятки мілівольт) зворотній струм досягає декількох міліампер внаслідок тунельного пробою. Таким чином, обернений діод характеризується вентильними властивостями при прямих напругах якраз в тій області, де звичайні випрямляючі діоди цими якостями не характеризуються. При цьому напрямком найбільшої провідності є напрямок, що відповідає зворотному струму.

Обернені діоди застосовують як і тунельні в імпульсних пристроях, а також як перетворювачі сигналів (змішувачі та детектори) в радіотехнічних пристроях.

Імпульсні діоди

Імпульсні діоди використовуються для роботи в ключових схемах. Крім основних параметрів I_пр, U_пр, I_звор, U_звор для діодів цього типу приладів вказуються спеціальні параметри, які характеризують перехідні процеси в приладі при швидких зміна зовнішньої напруги. Ці параметри пролюстровані на рис. 2.17, 2.18. Параметр τ_вст характеризує час встановлення прямої напруги на діоді (зменшення піку до величини 1,2 U_пр.ст.). Величина τ_вст характеризує час розсмоктування інжектованих носіїв та зниження в наслідок чого опір бази.

Рисунок 2.17 – Характеристики імпульсних діодів

При перемиканні напруги з прямої на зворотню розсмоктування надлишкової концентрації інжектованих носіїв в базі за рахунок дифузії та рекомбінації відбувається не миттєво. Цей процес характеризується параметром τ_відн – час відтновлення зворотного опору.

Рисунок 2.18 – Параметри напруги та струму імпульсних діодів

Насправді, в момент перемикання інжекція носіїв, припустимо дірок, в базу припиняється; в базі біля переходу концентрація дірок знижується до рівноважної. Але інжектовані раніше дірки ще не встигли пройти всю базу та, відповідно, концентрація дірок в товщині бази вища, ніж в переході. Наряду з дифузійним рухом дірок до виводу бази виникає їх дифузійний рух в зворотному напрямку до емітеру. Рівноважне значення концентрації дірок по всій базі встановлюється через час τ_відн, коли описані процеси закінчуються. Для прискорення цього процесу базу в деяких імпульсних діодах легують домішками, які утворюють пастки та сприяють рекомбінації неосновних носіїв. Легування бази золотом дозволяє знизити час процесів відновлення до величини порядку 10^-9 с. Знизити час τ_відн дозволяє також застосування бази з неоднорідною концентрацією домішки. В таких діодах концентрація домішок в базі монотонно збільшується по мірі віддалення від переходу.

Нерівномірною виявляється й концентрація основних, рухомих носіїв. В базі електрони з n–напівпровідника дифундують до переходу та оголяють далеко від переходу позитивні іони домішок. Таким чином, в базі встановлюється електричне поле, вектор напруженості якого спрямований до переходу. Під дією цього поля дірки, інжектовані в базу, дрейфують до переходу, притискаються до межі запираючого шару, де утворюють об’ємний заряд дірок підвищеної густини. При перемиканні напруги з прямої на зворотню ці дирки втягуються полем переходу за малий час. Внаслідок цього час відновлення в таких діодах значно менший, ніж в діодах з однорідною базою. Такі діоди отримали назву – діоди з накопиченням заряду (ДНЗ).

Інші параметри – максимальна імпульсна напруга (пряма) U_{пр.імп.мах} та максимальний імпульсний струм I_пр.імп, а також їх співвідношення, яке називається імпульсним опором.

Ємність переходу має бути по можливості меншою одиниці пікосекунд.

За часом відновлення зворотного опору τ_відн імпульсні діоди поділяються на мілісекундні (τ_відн >0,1 мсек), мікросекундні
(0,1мсек>τ_відн >0,1 мксек), та наносекундні (τ_відн <0,1 мксек).

2.10 Запитання та завдання для самоконтролю

1. Назвіть основні матеріали для виготовлення діодів.

2. Що характеризує температурний коефіцієнт напруги?

3. Для чого призначені випрямляючі діоди?

4. Чим відрізняються вольт-амперні характеристики кремнієвих та германієвих діодів?

5. Призначення та принцип дії напівпровідникового стабілітрона. Нарисуйте його ВАХ та поясніть основні параметри стабілітрона.

6. Зобразіть електричну схему найпростішого стабілізатора напруги та поясніть призначення елементів схеми.

7. Запишіть рівняння бар’єрної ємності від напруги та поясніть хід графіку вольт-фарадної характеристки варикапу.

8. Параметри й характеристики випрямляючих діодів.

9. Зобразіть електричну схему однотактного напівперіодного випрямляча напруги та поясніть призначення елементів схеми.

10. Назвіть основні параметри тунельного діода. Особливості його будови.

11. Зобразіть енергетичні діаграми тунельного діоду в різних режимах роботи.

12. Будова, призначення та принцип дії високочастотних діодів.

13. Будова, призначення та принцип дії обернених діодів.

14. Параметри імпульсних діодів.

15. Нарисуйте часові діаграми напруги і струму імпульсного діоду при прямокутній вхідній дії.

Література [10-16]