Барьерная и диффузионная емкости p n переход. Полупроводниковые диоды, p-n-переход, виды пробоев, барьерная емкость, диффузионная емкость

Механизм протекания обратного тока через переход относительно прост. Носители заряда, являющиеся неосновными для одной из областей, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они являются уже основными носителями. Так как концентрация основных носителей обычно существенно превышает концентрацию неосновных носителей в соседней области (n n >> n p и р р >> р n ), то появление в той или иной области полупроводника незначительного дополнительного количества основных носителей заряда практически не изменяет равновесного состояния полупроводника.

Иная картина получается при протекании прямого тока . В этом случае преобладает диффузионный компонент тока, состоящий из основных носителей заряда, преодолевающих потенциальный барьер и проникающих в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителями. Концентрация неосновных носителей при этом может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Явление введения неравновесных носителей называют инжекцией .

При протекании прямого тока через р-n- переход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, из дырочной области в электронную - инжекция дырок.

Для простоты мы будем в дальнейшем рассматривать только инжекцию дырок из дырочной области полупроводника в электронную, распространяя затем все сделанные заключения на встречный процесс инжекции электронов в дырочную область. Если приложить к р-n- переходу напряжение в направлении пропускания (рис.3.13), то высота потенциального барьера понизится, и некоторое количество дырок окажется в состоянии проникнуть в n- область.

Рис.3.13. Схема протекания прямого тока через переход

До появления этих дырок n- область была электрически нейтральна, т.е. положительные и отрицательные заряды в каждом из достаточно малых объемов n- области в сумме были равны нулю.

Дырки, инжектированные из р- области в n- область, представляют собой некоторый положительный объемный заряд. Этот заряд создает электрическое поле, распространяющееся в объеме полупроводника и приводящее в движение основные носители заряда - электроны. Электрическое поле, созданное дырками, привлекает к дыркам электроны, отрицательный объемный заряд которых должен скомпенсировать положительный объемный заряд дырок. Однако сосредоточение электронов вблизи объемного заряда инжектированных дырок приведет к уменьшению их концентрации в смежных объемах, т.е. к нарушению электрической нейтральности и появлению объемного заряда в этих объемах.

Так как никакое перераспределение свободных зарядов внутри электрически нейтрального полупроводника не может скомпенсировать объемного заряда дырок, то для восстановления состояния электрической нейтральности полупроводника из внешнего вывода должно войти дополнительное количество электронов, суммарный заряд которых будет равен суммарному заряду инжектированных дырок. Поскольку электрон и дырка имеют равные по величине и противоположные по знаку заряды, то количество электронов, входящих в объем полупроводника из внешнего вывода, должно равняться количеству инжектированных дырок.

Таким образом, одновременно с появлением в n- области некоторого количества инжектированных дырок - неосновных неравновесных носителей - появляется такое же количество электронов - основных неравновесных носителей. И те, и другие носители являются неравновесными, так как создают концентрацию, отличающуюся от концентрации термодинамического равновесия.

Процесс компенсации объемного заряда неосновных неравновесных носителей объемным зарядом основных неравновесных носителей протекает исключительно быстро. Время установления этого процесса определяется временем релаксации

и составляет для германия (ε = 16), удельное сопротивление которого 10 Ом. см, около 10 –11 сек. Установление процесса можно, следовательно, считать мгновенным.

Так как непосредственно у перехода концентрация носителей высокая, носители за счет наличия градиента концентрации будут распространяться в глубь объема полупроводника в направлении меньших концентраций. Одновременно концентрация неравновесных носителей будет уменьшаться за счет рекомбинации, так что полное значение концентрации будет стремиться к равновесному значению.

Рис.3.14. Кривая распределения концентрации неравновесных неосновных

носителей (дырок) в электронной области р-n-перехода

Если неравновесная концентрация мала по сравнению с концентрацией равновесных основных носителей (низкий уровень инжекции), то спадание концентрации неравновесных носителей в направлении от перехода вглубь полупроводника будет происходить по экспоненциальному закону (рис.3.14):

(3.23)

L характеризует то среднее расстояние, на которое носители успевают продиффундировать за время жизни.

В достаточно удаленной от перехода точке (х → ¥) будет сохраняться равновесная концентрация носителей заряда.

При малом уровне инжекции концентрация неравновесных носителей в n- области у границы раздела будет экспоненциально зависеть от величины напряжения, приложенного к переходу:

(3.24)

(при U = 0 ; быстро возрастает с увеличением положительных значений U).

Отметим, что изменение напряжения на переходе на Δu приведет к увеличению концентрации неравновесных дырок в n- области, т.е. к изменению заряда. Изменение заряда, вызванное изменением напряжения, можно рассматривать как действие некоторой емкости. Емкость эта называется диффузионной , так как появляется за счет изменения диффузионного компонента тока через переход.

Можно сделать заключение, что диффузионная емкость будет проявляться при прямых токах через переход или же малых обратных напряжениях, когда величиной тока диффузии еще нельзя пренебрегать по сравнению с током проводимости.

Представим диффузионную емкость как изменение заряда ΔQ , отнесенное к вызвавшему его изменению напряжения Δu :

и оценим влияние тока через переход на величину диффузионной емкости.

Полный заряд неосновных неравновесных носителей в n -области может быть получен путем интегрирования выражения (3.23).

Изменение внешнего напряжения dU на p-n переходе приводит к изменению накопленного в нем заряда dQ. По­этому p-n переход ведет себя подобно конденсатору, ем­кость которого С = dQ/ dU.

В зависимости от физической природы изменяющегося заряда различают емкости барьерную (зарядную) и диф­фузионную.

Барьерная (зарядная) емкость определяется измене­нием нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. Поэтому идеальный электронно-дырочный переход можно рассматривать как плоский кон­денсатор, емкость которого определяется соотношением

где П, d - соответственно площадь и толщина p-n перехода.

Из соотношений (1.41) и (1.31) следует

.

В общем случае зависимость зарядной емкости от при­ложенного к p-n переходу обратного напряжения выра­жается формулой

,

где C 0 - емкость p-n перехода при U ОБР = 0; g - коэффици­ент, зависящий от типа p-n перехода (для резких p-n переходов g = 1/2, а для плавных g = 1/3).

Барьерная емкость увеличивается с ростом N А и N Д, а также с уменьшением обратного напряжения. Характер зависимости С БАР = f(U ОБР) показан на рис. 1.13,а.

Рассмотрим диффузионную емкость. При увеличении внешнего напряжения, приложенного к p-n переходу в прямом направлении, растет концентрация инжектирован­ных носителей вблизи границ перехода, что приводит к изменению количества заря­да, обусловленного неосновны­ми носителями в p- и n-областях. Это можно рассмат­ривать как проявление неко­торой емкости. Поскольку она зависит от изменения диффузионной составляю­щей тока, ее называют диф­фузионной. Диффузионная емкость представляет собой отношение приращения инжекционного заряда dQ инж к вызвавшему его изменению напряжения dU пр, т. е. . Воспользовавшись уравнением (1.30), можно опреде­лить заряд инжектированных носителей, например дырок в n-области:

Рисунок 1.13 Зависимость барьерной (а) и диффузионной (б) емкостей p-n перехода от напряжения.

Тогда диффузионная емкость, обусловленная изменением общего заряда неравновесных дырок в n-области, опреде­лится по формуле

.

Аналогично для диффузионной емкости, обусловленной инжекцией электронов в p-область,

.

Рисунок 1.13 Эквивалентная схема p-n перехода.

Общая диффузионная емкость

Зависимость ёмкости от прямого напряжения на p-n переходе показана на рисунке 1.13, б.

Полная емкость p-n перехода определяется сум­мой зарядной и диффузи­онной емкостей:

.

При включении p-n перехода в прямом направ­лении преобладает диффу­зионная емкость, а при включении в обратном на­правлении - зарядная.

На рис. 1.14 приведена эквивалентная схема p-n перехода по переменному току. Схема содержит дифферен­циальное сопротивление p-n перехода r Д, диффузионную емкость С ДИФ, барьерную емкость С БАР и сопротивление объ­ема p- и n-областей r 1 . На основании уравнения (1.37) можно записать:

.

Если при прямом включении p-n перехода U пр >> j т, то:

При комнатной температуре ; (1.42)

(в соотношении (1.42) значение тока подставляется в ам­перах). Сопротивление утечки r УТ учитывает возможность прохождения тока по поверхности кристалла из-за несо­вершенства его структуры. При прямом включении p-n перехода С БАР << С ДИФ, дифференциальное сопротивление r Д ПР мало и соизмеримо с r 1 , поэтому эквивалентная схе­ма принимает вид, показанный на рис. 1.15, а.

Рисунок 1.15 Упрощенные эквивалентные схемы p-n перехода.

При обратном смещении r Д ОБР >> r 1 , С БАР >> С ДИФ и эк­вивалентная схема имеет вид, показанный на рис. 1.15, б.

Полупроводниковый диод инерционен по отношению к достаточно быстрым изменениям тока или напряжения, поскольку новое распределение носителей устанавливается не сразу. Как известно, внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину объемных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции или экстракции меняются заряды в области базы (роль зарядов в эмиттере мало существенна). Следовательно, диод обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно p-n переходу. Эту емкость можно разделить на две составляющие: барьерную емкость , отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость , отражающую перераспределение зарядов в базе. Такое разделение в общем условное, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при разных полярностях приложенного напряжения. При прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и соответственно - диффузионная емкость. При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Заметим заранее, что обе емкости не линейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная - от обратного напряжения.

Определим величину барьерной емкости, считая переход несимметричным типа n + -p. Тогда протяженность отрицательного заряда в базе р-типа можно считать равной всей ширине перехода: . Запишем модуль этого заряда:

где N - концентрация примеси в базе; S - площадь перехода. Такой же (но положительный) заряд будет в эмиттерном слое.

Представим, что эти заряды расположены на обкладках воображаемого конденсатора, емкость которого можно определить как

Учитывая выражение ширины перехода при обратном включении, и дифференцируя заряд Q по напряжению, окончательно получаем:

(7.10)

где и соответственно ширина и высота потенциального барьера при равновесном состоянии.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его полную эквивалентную схему для переменного тока (рис.3.10а).

Сопротивление R 0 в этой схеме представляет суммарное сравнительно небольшое сопротивление n- и p- областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление R нл при прямом включении равно R пр, т.е. невелико, а при обратном напряжении R нл = R обр, т.е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частотных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и емкость можно не учитывать. Тогда при прямом смещении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R 0 и R пр (рис.7.5б),

Рис.7.5б. Рис.7.5в.

а при обратном напряжении – только сопротивление R обр, так как R 0 << R обр (рис.7.5в).

На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис.7.5г, (если частота не очень высокая, то С диф практически не влияет),

Рис.7.5г. Рис.7.5д.

а при обратном остаются R обр и С б (рис.7.5д).

Следует иметь ввиду, что существует еще емкость С в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.

Классификация диодов.

Классификация диодов проводится в основном:

1) по технологическим методам создания электрических переходов и диодных структур

2) по выполняемой функции диодов.

По технологии изготовления диоды могут быть точечными и плоскостными. Основные характеристики точечных диодов: площадь p-n-перехода мала, имеют малую емкость (менее 1пФ), малые токи (не более 1 или десятков мА). Применяются на высоких частотах вплоть до свч. Технология: к пластинке германия n-типа или кремния n-типа приваривается при помощи большого импульса тока вольфрамовая нить, покрытая акцепторной примесью (для германия- индий, для кремния- алюминий).

Плоскостные диоды: технология изготовления может быть либо вплавление, либо диффузия. При вплавлении на очищенную поверхность полупроводниковой пластинки обычно n-типа помещается таблетка металлического акцепторного материала, например алюминий, если полупроводник кремний. При нагревании до 600…700 0 С она расплавляется и растворяет в себе прилегающий слой кремния, температура плавления которого значительно выше. После охлаждения у поверхности пластинки слой кремния р + -типа, насыщенный алюминием (эмиттер р-типа, база- n-типа). Диффузия: примесные атомы поступают обычно из газовой среды в полупроводниковую пластинку через ее поверхность при высокой температуре (около 1000 0) и распространяются вглубь вследствие диффузии, т.е. теплового движения. Процесс осуществляется в специальных диффузионных печах, где с высокой точностью поддерживается температура и время процесса. Чем больше время и температура, тем дальше примеси проникают в глубь пластины. Диффузионный p-n-переход получается плоским, а его площадь велика и равна площади исходной пластины, рабочие токи достигают десятков ампер.

По выполняемой функции различают диоды выпрямительные, импульсные, преобразовательные, переключательные, детекторные диоды, стабилитроны, варикапы и т.д. Отдельные классы диодов могут подразделяться на подклассы в зависимости от диапазона рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ-диоды, диоды оптического диапазона). Различают диоды также по полупроводниковому материалу: наиболее широко применяется кремний, вытесняющий распространенный ранее германий. Кремниевые диоды имеют большую максимальную рабочую температуру (Si – 125…150 0 C, Ge – 70…80 0 C) и на несколько порядков меньший обратный ток. Непрерывно увеличивается число диодов на арсениде галлия (в частности, металл-полупроводниковых), превосходящих по параметрам кремниевые диоды.

Рассмотрим некоторые типы диодов и их основные параметры.

1.Выпрямительные низкочастотные диоды . Они используются в источниках питания для выпрямления переменного тока.

Основными электрическими параметрами диода являются величины U пр.ср при заданном I пр.ср, а также I обр.ср при заданном амплитудном (максимальном) значении обратного напряжения (U обр.макс) (U пр.ср и I обр.ср – средние значения прямого напряжения и обратного тока за период). Для кремниевых диодов с p-n переходом, имеющих наибольшее распространение, U пр.ср не превышает 1..1,5В при Т=20 0 С. С ростом температуры эта величина уменьшается, причем ТКН зависит значения прямого тока; с ростом тока уменьшается, а при большом токе может стать даже положительным. Обратный ток кремниевых диодов при Т=20 0 С, как правило, не превышает десятых долей мкА, и увеличивается с ростом температуры (температура удвоения около 10 0 С). При Т=20 0 С обратным током можно пренебречь. Напряжение пробоя кремниевых диодов составляет сотни вольт и увеличивается с ростом температуры.

Прямое напряжение кремниевых диодов с переходом металл-полупроводник примерно в два раза меньше, чем в диодах с p-n переходом. А обратный ток несколько больше и сильнее зависит от температуры, удваиваясь на каждые 6..8 0 С.

При выборе типа диода учитывают предельно допустимый выпрямленный ток, обратное напряжение и температуру. В зависимости от допустимого тока различают диоды малой (<300мА), средней (<1А) и большой (>10А) мощности. Предельное обратное напряжение ограничено пробоем перехода и лежит в пределах от 50 до 1500В. Для увеличения допустимого обратного напряжения диоды соединяют последовательно. Несколько последовательно соединенных диодов, изготовленных в едином технологическом цикле и заключенных в общий корпус, называют выпрямительным столбом. Максимальная рабочая температура кремниевых диодов достигает 125..50 0 С и ограничена ростом обратного тока.

Маломощные диоды с небольшой площадью p-n перехода (менее 1мм 2) создают методом вплавления, мощные – с большой площадью - методом диффузии. Силовые диоды с p-n переходом могут работать до частот обычно не более 1кГц, а диоды с переходом металл- полупроводник – до частот в сотни кГц.

Германиевые диоды имеют прямое напряжение примерно в 1,5..2 раза меньше, чем кремниевые (обычно не более0,5 В) из-за меньшей ширины запрещенной зоны. Оно в основном определяется падением напряжения на сопротивлении базы, в этом случае ТК U пр >0. Обратный ток при Т=20 0 С на 2..3 порядка больше, чем в кремниевых диодах, и сильнее зависит от температуры. Удваиваясь на каждые 8 0 С, в связи с этим максимальная рабочая температура значительно ниже (70…80 0 С).

Тепловой механизм пробоя ведет к тому, что германиевые диоды выходят из строя даже при кратковременных импульсных перегрузках. Это является существенным недостатком. Напряжение пробоя уменьшается с ростом температуры.

Из-за малой площади перехода предельно допустимые прямые токи высокочастотных диодов невелики (обычно менее 100мА), пробивные напряжения, как правило, не превышают 100В.

3. Импульсные диоды. Предназначены для работы в импульсном режиме, т.е. в устройствах формирования и преобразования импульсных сигналов, ключевых и цифровых схемах.

Важнейшим параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления. Оно характеризует переходный процесс переключения диода из состояния с заданным прямым током I пр в состояние с заданным обратным напряжением U обр. На рис.7.6 показаны временные диаграммы напряжения и тока через диод.

Время восстановления t вос отсчитывается момента t 1 изменения напряжения на диоде с прямого на обратное до момента t 2 , когда обратное напряжение достигнет значения 0,1 пр. Время восстановления в диоде с p-n переходом определяется временем рассасывания заряда, накопленных в базе до переключения (до момента t 1), а также процессом перезаряда барьерной емкости. В импульсных диодах время восстановления должно быть как можно меньше; необходимо снижать время жизни неосновных носителей в базе, для чего кремниевые диоды с p-n переходом легируются золотом. Но для кремниевых диодов не удается получить время восстановления порядка менее 1нс. В арсениде галлия время жизни гораздо меньше, чем в кремнии, и в диодах с p-n переходом удается получить t вос порядка 0,1 нс. Снижение барьерной емкости достигается уменьшением площади перехода. Наименьшее время восстановления (t вос <0.1нс) имеют диоды с переходом металл-полупроводник, в которых отсутствует накопление неосновных носителей при протекании прямого тока. В них время восстановления порядка C б r б определяется процессом перезаряда барьерной емкости перехода через сопротивление базы.

Для всех импульсных диодов указывается емкость при определенном обратном напряжении и частоте переменного сигнала, используемого при измерении. Минимальные значения емкости составляют 0,1…1 пФ.

К специфическим параметрам импульсных диодов относятся максимальный импульсный обратный ток I обр.и.макс и максимальное импульсное сопротивление r пр.и.макс, равное отношению максимального прямого напряжения в процессе его установления к к прямому току. Значения этих величин желательно иметь как можно меньше.

Для импульсных диодов важны также и статические параметры, определяющие установившиеся значения тока и напряжений в схемах. К ним относятся прямое напряжение при заданном прямом токе и обратный ток при определенном обратном напряжении.

4. Стабилитроны. Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжений в схемах. стабилитроны используются в источниках питания, ограничителях, фиксаторах уровня, источниках опорного напряжения и других устройствах. Принцип действия стабилитронов основан на использовании лавинного или туннельного пробоя в p-n переходе. На рис.7.7 дана типичная вольт-амперная характеристика стабилитрона при обратном напряжении.

На участке пробоя – рабочем участке ВАХ напряжение очень слабо зависит от тока. Минимальное значение рабочего тока I ст.мин соответствует началу «вертикального» участка ВАХ, где достигается малое дифференциальное сопротивление r диф =ΔU/ΔI. Максимальный ток I ст.мах определяется допустимой рассеиваемой мощностью. Основной параметр – напряжение стабилизации U ст, практически равное напряжению пробоя, задается при определенном значении тока I ст на рабочем участке.

Схема включения стабилитрона приведена на рис.7.8.

Здесь R огр – ограничивающий резистор; R н – резистор нагрузки, напряжение на котором U н = U ст. Ток, протекающий через ограничивающий резистор, равен I=(E-U ст)/R огр, а ток через стабилитрон I ст =I-I н, где I н = U ст /R н, что соответствует рабочей точки с на рис.3.11. Если напряжение источника питания отклоняется на величину от номинального значения, ток через стабилитрон изменяется на Δ I ст = ΔE)/R огр при r диф <<(R огр ││ R н) и рабочая точка перемещается в пределах участка C ’ C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину

(7.11)

Если изменяется ток нагрузки и. следовательно, нагрузки на величину Δ I н, то примерно так же изменится ток через стабилитрон и Δ U=- r диф ΔI н. Знак «-» означает, что увеличении тока нагрузки ток стабилитрона уменьшается. Для получения хорошей стабилизации дифференциальное сопротивление должно быть как можно меньше.

Напряжение пробоя p-n перехода уменьшается с ростом концентрации примесей базы. Для приборов различных типов U ст может составлять от 3 до 200В.

Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который характеризует изменение напряжения U ст при изменении температуры на один градус, т.е.

(7.12)

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10 -5 до 10 -3 К -1 . Значение U ст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного полупроводника. Стабилитроны на напряжение до 7В изготавливаются из кремния с малым удельным сопротивлением, т.е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах p-n переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то p-n переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Температурный коэффициент стабилизации высоковольтных стабилитронов может быть уменьшен на 1…2 порядка, с помощью термостабилизации. Для этого обратно включенному p-n переходу стабилитрона соединяют последовательно с одним или двумя p-n переходами, включенными в прямом направлении. Известно, что прямое напряжение на p-n переходе уменьшается при повышении температуры, что компенсирует увеличение напряжения пробоя. Такие термокомпенсированные стабилитроны называются прецизионными. Они применяются в качестве источников опорного напряжения.

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R н постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R огр должно иметь определенное значение. Обычно R огр рассчитывают для средней точки с характеристики стабилитрона. Если напряжение Е меняется от E min до E max , то можно R огр найти по следующей формуле

(7.13)

где Е ср =0,5(Е min + Е max) – среднее напряжение источника;

I ср =0,5(I min + I max) – средний ток стабилитрона;

I н = U ст /R н – ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке будет почти постоянным. Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равное E max - E min , должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация, т.е. I max - I min . Отсюда следует, что если значение Е изменяется на ΔЕ, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда E=const, а R н изменяется в пределах от R н min до R н max . Для такого режима R огр можно определить по средним значениям токов по формуле

(7.15)

I н ср =0,5(I н min + I н max) , причем I н min = U ст /R н max и I н max = U ст /R н min .

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи.

5. Варикапы. Варикапами называют диоды, принцип действия которых основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от обратного напряжения. Таким образом. Варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые не механически, а электрически, т.е. изменением обратного напряжения. Они применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

Простейшая схема включения варикапа для настройки частоты колебательного контура представлена на рис.7.9.

Управляющее напряжение U подается на варикап VD через высокоомный резистор R, который уменьшает шунтирование варикапа и колебательного контура источником напряжения. Для устранения постоянного тока через элемент индуктивности колебательный контур подключается параллельно варикапу через разделительный конденсатор С р большой емкости. Изменяя величину обратного напряжения и, следовательно, емкость варикапа и суммарную емкость колебательного контура, изменяют резонансную частоту последнего.

Основным полупроводниковым материалом для изготовления варикапа служит кремний, используется также арсенид галлия, обеспечивающий меньшее сопротивление базы.

К электрическим параметрам варикапа относятся емкость при номинальном, максимальном и минимальном напряжениях, измеренная на заданной частоте, коэффициент перекрытия по емкости, добротность, частотный диапазон, температурные коэффициенты емкости и добротности. В разных типах варикапов номинальная емкость может лежать в пределах от несколько единиц до несколько сотен пикофарад.

Диффузионная емкость – это виртуальная емкость, с помощью которой моделируют эффект конечного времени «рассасывания» неравновесного заряда неосновных носителей в высокоомной части p-n- перехода.

Если, как и ранее, рассматривать случай, когда область р является более высокоомной, т. е.

n n >> p n ,

то в области р электроны являются неосновными носителями и их равновесная концентрация мала. При подаче прямого смещения электроны – основные носители слоя n – в огромном количестве переходят в слой р , создавая там объемный заряд неравновесных неосновных носителей.

Если резко сменить приложенное напряжение на запирающее, то переход электронов из n -области прекратится, но электроны слоя n , оказавшиеся в р- слое (неравновесный объемный заряд), будут, как неосновные носители, возвращаться в слой n , пока объемный заряд неосновных носителей в р- области не уменьшится до равновесного. Физически это означает, что в течение некоторого времени после смены напряжения с прямого на обратное через p-n- переход будет протекать обратный ток, намного больший равновесного значения I S (рис. 3.12, а ).

Рис. 3.12. Проявление диффузионной емкости p-n- перехода:

а – при низкой скорости изменения сигнала;

б – при высокой скорости изменения сигнала

На рис. 3.12, б показано, как диффузионная емкость при высокой частоте изменения напряжения приводит к потере свойства односторонней проводимости p-n -перехода. Очевидно, что чем больше величина прямого тока, тем больше неравновесный заряд, тем больше времени необходимо для его рассасывания (разряда диффузионной емкости), тем больше инерционность p-n- перехода.

3.7. Пробой p-n -перехода

Увеличение обратного напряжения до некоторого критического значения вызывает явление лавинообразного нарастания обратного тока, которое, если не принять мер по его ограничению, вызовет разрушение p-n- перехода. Это явление называется пробоем. Физический механизм пробоя достаточно сложен, и его условно можно разделить на два типа: тепловой и электрический .

Тепловой пробой

Тепловой пробой можно упрощенно представить следующей схемой: при протекании обратного тока на p-n- переходе выделяется мощность Р=U 0 I 0 , что приводит к нагреву объема полупроводника. Возникает положительная тепловая связь, которая, если не обеспечить температурного равновесия (за счет эффективного отвода тепла), приведет к тепловому разрушению p-n- перехода. Предотвращение теплового пробоя является серьезной инженерной задачей и достигается за счет ограничения величины обратного напряжения и обеспечения хорошего отвода тепла от p-n -перехода (установка p-n -перехода на теплоотводящие пластины-радиаторы, активное вентилирование).

В идеальном обратный ток уже при сравнительно небольшом обратном напряжении не зависит от значения последнего. Однако при исследованиях реальных наблюдается достаточно сильное увеличение обратного гока при увеличении приложенного напряжения, причем в кремниевых структурах обратный ток на 2-3 порядка выше теплового. Такое огличие экспериментальных данных от теоретических объясняется гермогенерацией носителей заряда непосредственно в области и существованием канальных токов и токов утечки.

Канальные токи обусловлены наличием поверхностных энергетических состояний, искривляющих энергетические зоны вблизи поверхности и приводящих к появлению инверсных слоев. Эти слои называют каналами, а токи, протекающие через переход между инверсным слоем и соседней областью, - канальными токами.

Емкости p-n-перехода.

Наряду с электропроводностью -переход имеет и определенную емкость. Емкостные свойства обусловлены наличием по обе стороны от границы электрических зарядов, которые созданы ионами примесей, а также подвижными носителями заряда, находящимися вблизи границы .

Емкость подразделяют на две составляющие: барьерную, отражающую перераспределение зарядов в , и диффузионную, отражающую перераспределение зарядов вблизи . При прямом смещении перехода в основном проявляется диффузионная емкость, при обратном (режим экстракции) заряды вблизи (в базе) меняются мало и основную роль играет барьерная емкость.

Так как внешнее напряжение влияет на ширину , значение пространственного заряда и концентрацию инжектированных носителей заряда, то емкость зависит от приложенного напряжения и его полярности.

Барьерная емкость обусловлена наличием в -переходе ионов донорной и акцепторной примесей, которые образуют как бы две заряженные обкладки конденсатора. При изменении запирающего напряжения, например увеличении, ширина -перехода увеличивается и часть подвижных носителей заряда (электронов в области и дырок в области ) отсасывается электрическим полем от слоев, прилегающих к переходу. Перемещение этих носителей заряда вызывает в цепи ток

где - изменение заряда обедненного слоя -перехода. Этот ток становится равным нулю по окончании переходного процесса изменения границ -перехода.

Величину для резкого перехода можно определить из приближенного выражения

где - площадь и толщина при .

С увеличением приложенного обратного напряжения U барьерная емкость уменьшается из-за увеличения толщины перехода (рис. 2.10, а).

Зависимость называют вольт-фарадной характеристикой.

При подключении к p-n-переходу прямого напряжения барьерная емкость увеличивается вследствие уменьшения . Однако в этом случае приращение зарядов за счет инжекции играет большую роль и емкость -перехода определяется в основном диффузионной составляющей емкости.

Диффузионная емкость отражает физический процесс изменения концентрации подвижных носителей заряда, накопленных в областях, вследствие изменения концентрации инжектированных носителей.

Влияние диффузионной емкости можно пояснить следующим примером.

Пусть через протекает прямой ток, обусловленный инжекцией дырок в базовую область. В базе накоплен заряд, созданный неосновными носителями, пропорциональный этому току, и заряд основных носителей, обеспечивающий электронейтральность полупроводника. При быстром изменении полярности приложенного напряжения инжектированные дырки не успевают рекомбинировать и под действием обратного напряжения переходят назад в область эмиттера. Основные носители заряда движутся в противоположную сторону и уходят по шине питания. При этом обратный ток сильно увеличивается. Постепенно дополнительный заряд дырок в базе исчезает (рассасывается) за счет рекомбинации их с электронами и возвращения в -область. Обратный ток уменьшается до статического значения (рис. 2.10. б).

Рис. 2.10. Вольт-фарадные характеристики (а) и изменение тока при изменении полярности напряжения (о): 1 - плавный переход; 2 - резкий переход

Переход ведет себя подобно емкости, причем заряд диффузионной емкости пропорционален прямому току, протекавшему ранее через -переход.