П ОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ НА ОСНОВЕ P - N ПЕРЕХОДА. Б АРЬЕР Ш ОТТКИ Выполнила: Комиссарова Ксения Гр.21301. - презентация

1 П ОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ НА ОСНОВЕ P - N ПЕРЕХОДА. Б АРЬЕР Ш ОТТКИ Выполнила: Комиссарова Ксения Гр.21301

2 С ОДЕРЖАНИЕ P-n переход Типы полупроводниковых диодов Полупроводниковый диод Вольт- амперная характеристика полупроводникового диода Выпрямление переменного тока в диоде Влияние генерации и рекомбинации объемного сопротивления базы

3 С ОДЕРЖАНИЕ Барьер Шоттки Вольт- амперная характеристика Диод Шоттки Свойства диода Шоттки(преимущества) (недостатки) Номенклатура диодов Шоттки

4 P- N ПЕРЕХОД Переходная область между двумя частями одного кристалла полупроводника, одна из которых имеет электронную проводимость (n-типа), а другая дырочную (p-типа). В области pn-перехода возникает электрическое поле, которое препятствует переходу электронов из n- в р-область, а дырок обратно, что обеспечивает выпрямляющие свойства pn-перехода. Зоной p-n-перехода называется область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p. Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями: в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью ( n -область), а в другой акцепторной ( p -область); на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости. Э нергетическая диаграмма p-n -перехода. a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении

5 В ОЛЬТ - АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Ток генерации, то есть дырочный ток, текущий из n -области в p -область перехода. Ток рекомбинации, то есть дырочный ток, текущий из p -области в n -область. Электрическое поле в обеднённом слое препятствует этому току, и только те дырки, которые попадают на границу обеднённого слоя, имея достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер, вносят вклад в ток рекомбинации J h = J h rec J h gen = J h gen (e eU/kT 1).

6 P- N ПЕРЕХОД

7 Т ИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ Полупроводниковый диод на основе p-n перехода Стабилитроны Варикапы Туннельные диоды Обращенные диоды

8 Плоскостные p-n -переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии. Диод ДГ-Ц г. Полупроводниковый диод Простейшим полупроводниковым прибором является диод, представляющий полупроводниковый кристалл с электронно- дырочным (pn) переходом. Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно- дырочный переход

9

10 Вольт- амперной характеристика полупроводникового диода высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном вызывает резкую асимметрию вольт- амперной характеристики описываемая уравнением: 1 полупроводниковый диод 2 идеальный диод

11 На рисунке приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде. В ЫПРЯМЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ДИОДЕ коэффициент выпрямления идеального диода на основе p- n перехода

12 Х АРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ дифференциальное сопротивление r D сопротивление по постоянному току R D. На прямом участке вольт- амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r D невелико и составляет значение несколько Ом. На обратном участке характеристики диода дифференциальное сопротивление r D стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения. На прямом участке вольт- амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление R D > r D, а на обратном участке - меньше R D < r D. В точке вблизи нулевого значения напряжения V G

13 В ЛИЯНИЕ ГЕНЕРАЦИИ, РЕКОМБИНАЦИИ И ОБЪЕМНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ БАЗЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНЫХ ДИОДОВ γ n, γ p - вероятности захвата электронов и дырок на рекомбинационный уровень; N t - концентрация рекомбинационных уровней; n, p - концентрации неравновесных носителей; n 1, p 1 - концентрации равновесных носителей в разрешенных зонах при условии, что рекомбинационный уровень совпадает с уровнем Ферми. В реальных выпрямительных диодах на основе p-n перехода при анализе вольт- амперных характеристик необходимо учитывать влияние генерационно- рекомбинационных процессов в обедненной области p-n перехода и падение напряжения на омическом сопротивлении базы p-n перехода при протекании тока через диод. для моноэнергетического рекомбинационного уровня, расположенного вблизи середины запрещенной зоны полупроводника, выражение для темпа генерации (рекомбинации) имеет вид:

14 С ТАБИЛИТРОН Полупроводниковый прибор, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. В основе работы стабилитрона лежат два механизма: Лавинный пробой p- n перехода Тунельнный пробой p- n перехода Виды стабилитронов: прецизионные обладают повышенной стабильностью напряжения стабилизации, для них вводятся дополнительные нормы на временную нестабильность напряжения и температурный коэффициент напряжения двусторонние обеспечивают стабилизацию и ограничение двухполярных напряжений, для них дополнительно нормируется абсолютное значение несимметричности напряжения стабилизации быстродействующие имеют сниженное значение барьерной емкости (десятки пФ) и малую длительность переходного процесса(единицы нс), что позволяет стабилизировать и ограничивать кратковременные импульсы напряжения

15 Вольт- амперная характеристика нескольких стабилитронов. Обозначение стабилитрона на принципиальных схемах

16 Л АВИННЫЙ ПРОБОЙ

17 Т УННЕЛЬНЫЙ ПРОБОЙ

18 В АРИКАПЫ работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей Обратное напряжение на диоде При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n-области, в результате чего происходит расширение обеднённой области p-n перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь толщиной базы, далее которой переход расширяться не может. По достижении этого минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется. Обозначение варикапа на схемах.

19 О БРАЩЕННЫЙ ДИОД Полупроводниковый диод, на свойства которого значительно влияет туннельный эффект в области p-n перехода.В отличие от туннельного диода ВАХ обращённого диода практически не имеет «горба», что обусловлено немного меньшей, чем у туннельного диода, концентрацией примесей в полупроводнике. Из-за неполного легирования обладает значительной температурной зависимостью.

20 Т УНЕЛЬННЫЙ ДИОД В туннельном диоде квантово- механическое тунелирование электронов добавляет горб в вольт- амперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирование p и n областей, напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку тунелирование не может изменить полную энергию электрона, вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока Вольт- амперная характеристика туннельного диода. В диапазоне напряжений от U 1 до U 2 дифференциальное сопротивление отрицательно.

21

22 Б АРЬЕР Ш ОТТКИ Потенциальный барьер, образующийся в приконтактом слое полупроводника, граничащем с металлом. Для возникновения барьера, необходимо,чтобы работы выхода электронов из металла Ф(м) и полупроводника Ф(п) были разными.

23 При контакте n-типа Ф(м)>Ф(п),то металл заряжается отрицательно, а полупроводник положительно, т.к электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно. Возникающая при этом контактная разность потенциалов равна: U к = (Ф М -Ф п )/ е где е - заряд электрона Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов U к создаётся в приповерхностном слое полупроводника.

24 Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки В области прямых смещений ток экспоненциально растёт с увеличением приложенного напряжения. В области обратных смещений ток от напряжения не зависит. В обоих случаях, при прямом и обратном смещении, ток в барьере Шоттки обусловлен основными носителями заряда - электронами.

25

26 Энергетическая схема контакта металл - полупроводник: а -полупроводник n- типа и металл до сближения; б и в - идеальный контакт металла с полупроводником n- и p-типов; г - реальный контакт металла с полупроводником n-типа; M - металл; П -полупроводник; Д-диэлектрическая прослойка; Ɛ с, Ɛ f, Ɛ вак -уровни энергии электрона у потолка валентной зоны, у дна зоны проводимости и в вакууме; Ɛ f - энергия Ферми; Ф п -работа выхода электрона из полупроводника, Ф M - из металла; U к - разность потенциалов в приповерхностном слое полупроводника.

27 Контакты металл - полупроводник с барьерами Шоттки используются в СВЧ-детекторах и смесителях, транзисторах, фотодиодах и др. приборах.

28 Д ИОД Ш ОТТКИ полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки вместо p-n перехода, как у обычных диодов. Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов ограничено 250В, на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

29 Условное обозначение диода Шоттки по ГОСТ Структура детекторного Шотки диода : 1 полупроводниковая подложка; 2 эпитаксиальная плёнка; 3 контакт металл полупроводник; 4 металлическая плёнка; 5 внешний контакт

30 С ВОЙСТВА ДИОДОВ Ш ОТТКИ Достоинства: 1. Диоды Шоттки позволяют снизить прямое падение напряжения до 0,20,4 вольт. 2. Имеет меньшую электрическую ёмкость, что позволяет заметно повысить рабочую частоту. 3. Выпрямители на диодах Шоттки обладают пониженным уровнем помех.

31 Недостатки : 1. При кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя 2. Характеризуются повышенными обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла.

32 Н ОМЕНКЛАТУРА ДИОДОВ Ш ОТТКИ МОП-транзисторы со встроенным обратным диодом Шоттки- основной компонент синхронных выпрямителей. ORing- диоды и ORing- сборки- силовые диоды и силовые сборки применяемые для объединения параллельных источников питания общей нагрузки в устройствах повышенной надежности.

33 К ОНЕЦ С ПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !