Mehanizam obrnutog toka kroz prijelaz je relativno jednostavan. Nosioci naboja koji su minorni za jednu od regija, drifirajući u električnom polju područja volumnog naboja, padaju u područje gdje su već glavni nosioci. Budući da koncentracija većinskih nositelja obično znatno premašuje koncentraciju manjinskih nositelja u susjednoj regiji (n n>> np I p str >> p n), tada pojava u određenom području poluvodiča beznačajne dodatne količine glavnih nositelja naboja praktički ne mijenja ravnotežno stanje poluvodiča.
Drugačija slika se dobiva s protokom istosmjerne struje . U ovom slučaju dominira difuzijska komponenta struje, koja se sastoji od većinskih nositelja naboja koji prevladavaju potencijalnu barijeru i prodiru u područje poluvodiča, za što su manjinski nosioci. U tom slučaju koncentracija manjinskih nositelja može se značajno povećati u usporedbi s ravnotežnom koncentracijom. Fenomen uvođenja neravnotežnih nositelja naziva se injekcija.
Kada protječe istosmjerna struja p-n- prijelaz iz elektroničkog područja u područje rupa bit će ubrizgavanje elektrona, iz područja rupa u područje elektroničkih, injekcija rupa.
Radi jednostavnosti, dalje ćemo razmotriti samo ubrizgavanje rupa iz područja rupa poluvodiča u područje elektrona, a zatim proširiti sve zaključke na kontra proces ubrizgavanja elektrona u područje rupa. Ako se primjenjuje na p-n- prijelaz napona u smjeru prijenosa (slika 3.13), tada će se visina potencijalne barijere smanjiti, a određeni broj rupa moći će prodrijeti u n- regija.
sl.3.13. Shema toka istosmjerne struje kroz spoj
Prije ovih rupa n- regija je bila električno neutralna, t.j. pozitivni i negativni naboji u svakom od dovoljno malih volumena n- područja zbrojena na nulu.
rupe ubrizgane iz R- područja u n- površine, predstavljaju neki pozitivni prostorni naboj. Taj naboj stvara električno polje koje se širi u volumenu poluvodiča i pokreće glavne nositelje naboja – elektrone. Električno polje koje stvaraju rupe privlači elektrone u rupe, čiji negativni prostorni naboj mora nadoknaditi pozitivni prostorni naboj rupa. Međutim, koncentracija elektrona u blizini prostornog naboja ubrizganih rupa dovest će do smanjenja njihove koncentracije u susjednim volumenima, t.j. do narušavanja električne neutralnosti i pojave prostornog naboja u tim volumenima.
Budući da nikakva preraspodjela slobodnih naboja unutar električno neutralnog poluvodiča ne može kompenzirati prostorni naboj rupa, tada kako bi se obnovilo stanje električne neutralnosti poluvodiča, iz vanjskog izlaza mora ući dodatni broj elektrona, ukupni naboj od koji će biti jednak ukupnom naboju ubrizganih rupa. Budući da elektron i rupa imaju naboje jednake veličine i suprotnog predznaka, broj elektrona koji ulaze u masu poluvodiča s vanjskog terminala mora biti jednak broju ubrizganih rupa.
Dakle, istovremeno s pojavom n- područja određenog broja ubrizganih rupa - manji neravnotežni nosači - pojavi se isti broj elektrona glavni neravnotežni nosioci. I ti i drugi nosači su neravnotežni, jer stvaraju koncentraciju koja se razlikuje od koncentracije termodinamičke ravnoteže.
Proces kompenzacije prostornog naboja manjih neravnotežnih nosača prostornim nabojem glavnih neravnotežnih nositelja odvija se iznimno brzo. Vrijeme smirivanja ovog procesa određeno je vremenom opuštanja
i za germanij (ε = 16), čiji je otpor 10 Ohm. cm, oko 10-11 sec. Stoga se uspostavljanje procesa može smatrati trenutnim.
Budući da je koncentracija nosača visoka izravno na spoju, nosači će se zbog prisutnosti gradijenta koncentracije širiti duboko u masu poluvodiča u smjeru nižih koncentracija. Istovremeno će se koncentracija neravnotežnih nosača smanjiti zbog rekombinacije, tako da će ukupna vrijednost koncentracije težiti ravnotežnoj vrijednosti.
sl.3.14. Krivulja raspodjele koncentracije neravnotežnog minora
nosioci (rupe) u elektronskom području pn spoja
Ako je neravnotežna koncentracija mala u usporedbi s koncentracijom ravnotežnih glavnih nositelja (niska razina injektiranja), tada će se smanjenje koncentracije neravnotežnih nosača u smjeru prijelaza duboko u poluvodič dogoditi prema eksponencijalnoj zakon (slika 3.14):
(3.23)
L karakterizira prosječnu udaljenost na kojoj nosioci imaju vremena za difuziju tijekom svog života.
U točki dovoljno udaljenoj od prijelaza (x →¥ ) održavat će se ravnotežna koncentracija nositelja naboja.
Pri niskoj razini ubrizgavanja, koncentracija neravnotežnih nosača u n- područje u blizini sučelja će eksponencijalno ovisiti o veličini napona primijenjenog na spoju:
(3.24)
(na U= 0; brzo raste s povećanjem pozitivnih vrijednosti U).
Imajte na umu da je promjena napona na spoju za Δ uće dovesti do povećanja koncentracije neravnotežnih rupa u n- područja, tj. na promjenu zaduženja. Promjena naboja uzrokovana promjenom napona može se smatrati djelovanjem nekog kapaciteta. Ovaj spremnik se zove difuziju , budući da se pojavljuje zbog promjene difuzijske komponente struje kroz spoj.
Može se zaključiti da difuzijski kapacitet će se očitovati pri istosmjernim strujama kroz spoj ili pri niskim reverznim naponima, kada se difuzijska struja ne može zanemariti u usporedbi sa strujom vodljivosti.
Difuzijski kapacitet predstavljamo kao promjenu naboja Δ P, u vezi s promjenom napona Δ koja ju je uzrokovala u:
i procijeniti učinak struje kroz spoj na difuzijski kapacitet.
Ukupni naboj manjinskih neravnotežnih nosača u n-domena može se dobiti integracijom izraza (3.23).
Promjena vanjskog napona dU na p-n spoju dovodi do promjene naboja dQ akumuliranog u njemu. Stoga se p-n spoj ponaša kao kondenzator, čiji je kapacitet C \u003d dQ / dU.
Ovisno o fizičkoj prirodi promjenjivog naboja, razlikuju se barijerski (nabojni) i difuzijski kapaciteti.
Kapacitivnost barijere (punjenja) određena je promjenom nekompenziranog naboja iona kada se širina sloja barijere mijenja pod utjecajem vanjskog obrnutog napona. Stoga se idealan spoj elektron-rupa može smatrati ravnim kondenzatorom, čiji je kapacitet određen relacijom
gdje su P, d površina i debljina p-n spoja, respektivno.
Relacije (1.41) i (1.31) impliciraju
.
U općem slučaju, ovisnost kapaciteta punjenja o obrnutom naponu primijenjenom na p-n spoj izražava se formulom
,
gdje je C 0 kapacitet p-n spoja na U OBR = 0; g - koeficijent ovisno o vrsti p-n prijelaza (za oštre p-n prijelaze g = 1/2, a za glatke g = 1/3).
Kapacitet barijere raste s povećanjem N A i N D, kao i sa smanjenjem obrnutog napona. Karakter ovisnosti S BAR = f(U OBR) prikazan je na sl. 1.13, a.
Uzmite u obzir difuzijski kapacitet. S povećanjem vanjskog napona primijenjenog na pn spoj u smjeru naprijed, povećava se koncentracija ubrizganih nosača u blizini granica spoja, što dovodi do promjene količine naboja zbog manjinskih nositelja u p- i n-području . To se može promatrati kao manifestacija nekog kapaciteta. Budući da ovisi o promjeni difuzijske komponente struje, naziva se difuzijom. Difuzijski kapacitet je omjer prirasta injekcijskog naboja dQ inzh prema promjeni napona dU pr koja ga je izazvala, t.j. 
. Pomoću jednadžbe (1.30) može se odrediti naboj ubrizganih nosača, kao što su rupe u n-području:
Slika 1.13 Ovisnost barijere (a) i difuzijske (b) kapacitivnosti p-n spoja o naponu.
Tada se difuzijski kapacitet zbog promjene ukupnog naboja neravnotežnih rupa u n području određuje formulom
.
Slično, za difuzijski kapacitet zbog ubrizgavanja elektrona u p područje,
.
Slika 1.13 P-n spoj ekvivalentnog kruga.
Ukupni difuzijski kapacitet
Ovisnost kapacitivnosti o naprijed naponu na p-n spoju prikazana je na slici 1.13, b.
Ukupni kapacitet p-n spoja određen je zbrojem kapacitivnosti punjenja i difuzije:
.
Kada je p-n spoj uključen u smjeru naprijed, prevladava difuzijski kapacitet, a kada je uključen u suprotnom smjeru, prevladava kapacitet naboja.
Na sl. 1.14 prikazuje ekvivalentni sklop pn izmjeničnog spoja. Krug sadrži diferencijalni otpor p-n spoja r D, difuzijski kapacitet C DIF, kapacitet barijere C BAR i volumni otpor p- i n-područja r 1 . Na temelju jednadžbe (1.37) možemo zapisati:
.
Ako s izravnim uključivanjem p-n spoja U pr \u003e j t, tada:
Na sobnoj temperaturi 
; (1.42)
(u odnosu (1.42) trenutna vrijednost se zamjenjuje u amperima). Otpor curenja r UT uzima u obzir mogućnost prolaska struje preko površine kristala zbog nesavršenosti njegove strukture. S izravnim uključivanjem p-n spoja C BAR<< С ДИФ, дифференциальное сопротивление r Д ПР мало и соизмеримо с r 1 , поэтому эквивалентная схема принимает вид, показанный на рис. 1.15, а.
Slika 1.15 Pojednostavljeni ekvivalentni krugovi p-n spoja.
Uz obrnuti prednapon r D OBR >> r 1 , C BAR >> C DIF i ekvivalentni sklop ima oblik prikazan na sl. 1.15, b.
Poluvodička dioda je inertna s obzirom na dovoljno brze promjene struje ili napona, budući da se nova raspodjela nositelja ne uspostavlja odmah. Kao što je poznato, vanjski napon mijenja širinu spoja, a time i veličinu prostornih naboja u spoju. Osim toga, tijekom ubrizgavanja ili ekstrakcije mijenjaju se naboji u baznom području (uloga naboja u emiteru je beznačajna). Stoga dioda ima kapacitet koji se može smatrati spojenom paralelno s p-n spojem. Ovaj kapacitet se može podijeliti u dvije komponente: kapacitet barijere, što odražava preraspodjelu naboja u prijelazu, i difuzijski kapacitet, što odražava preraspodjelu naboja u bazi. Takva je podjela općenito uvjetna, ali je prikladna u praksi, budući da je omjer oba kapaciteta različit za različite polaritete primijenjenog napona. Kod prednjeg napona glavnu ulogu imaju višak naboja u bazi i, sukladno tome, difuzijski kapacitet. Kada je napon obrnut, višak naboja u bazi je mali, a kapacitivnost barijere igra glavnu ulogu. Unaprijed napominjemo da oba kapaciteta nisu linearna: difuzijski kapacitet ovisi o naprijed struji, a kapacitivnost barijere ovisi o obrnutom naponu.
Odredimo vrijednost kapacitivnosti barijere, smatrajući prijelaz asimetričnim tipom n + -p. Tada se opseg negativnog naboja u bazi p-tipa može smatrati jednakim cijeloj širini prijelaza: . Napišimo modul ovog naboja:
gdje je N koncentracija nečistoće u bazi; S - prijelazno područje. Isti (ali pozitivan) naboj bit će u sloju emitera.
Zamislimo da se ti naboji nalaze na pločama imaginarnog kondenzatora, čiji se kapacitet može definirati kao
Uzimajući u obzir izraz za širinu prijelaza tijekom obrnutog prebacivanja i razlikovanjem naboja Q s obzirom na napon, konačno dobivamo:
(7.10)
gdje i su širina i visina potencijalne barijere u ravnotežnom stanju.
Imajući na umu da dioda ima kapacitet, možete nacrtati njezin kompletan ekvivalentni krug za izmjeničnu struju (slika 3.10a).
Otpor R 0 u ovom krugu predstavlja ukupni relativno mali otpor n- i p- područja i kontakte tih područja s izvodima. Nelinearni otpor R nl s izravnim spojem jednak je R pr, t.j. je mala, a pri obrnutom naponu R nl = R arr, t.j. vrlo je velik. Zadani ekvivalentni sklop u različitim frekvencijskim slučajevima može se pojednostaviti. Na niskim frekvencijama, kapacitet je vrlo velik i kapacitivnost se može zanemariti. Tada, s prednagibom, samo otpori R 0 i R pr ostaju u ekvivalentnom krugu (slika 7.5b),
Slika 7.5b. Slika 7.5c.
a s obrnutim naponom - samo otpor R arr, budući da je R 0<< R обр (рис.7.5в).
Na visokim frekvencijama, kapaciteti imaju relativno mali otpor. Stoga se s prednjim naponom dobiva krug prema slici 7.5d, (ako frekvencija nije jako visoka, onda C diff praktički nema učinka),
Slika 7.5d. Slika 7.5e.
a u suprotnom slučaju ostaju R arr i C b (slika 7.5e).
Treba imati na umu da između terminala diode još uvijek postoji kapacitet C, koji može značajno šantirati diodu na vrlo visokim frekvencijama. Induktivnost vodova također se može pojaviti u mikrovalnoj pećnici.
Klasifikacija dioda.
Klasifikacija dioda provodi se uglavnom:
1) o tehnološkim metodama za stvaranje električnih spojeva i diodnih struktura
2) prema funkciji dioda.
Prema tehnologiji proizvodnje, diode mogu biti točkaste i planarne. Glavne karakteristike točkastih dioda: područje p-n spoja je malo, imaju mali kapacitet (manje od 1pF), niske struje (ne više od 1 ili desetke mA). Koristi se na visokim frekvencijama do mikrovalne pećnice. Tehnologija: volframova nit obložena akceptorskom nečistoćom (za germanij - indij, za silicij - aluminij) zavaruje se na ploču od germanija n-tipa ili n-tipa silicija pomoću velikog strujnog impulsa.
Planarne diode: tehnologija proizvodnje može biti fuzijska ili difuzijska. Prilikom spajanja, na očišćenu površinu poluvodičke pločice, obično n-tipa, ako je poluvodič silicij, stavlja se tableta od materijala metalnog akceptora, kao što je aluminij. Kada se zagrije na 600 ... 700 0 C, topi se i otapa susjedni sloj silicija, čija je točka taljenja mnogo viša. Nakon hlađenja blizu površine ploče, sloj silicija p + -tipa zasićen aluminijem (emiter p-tipa, baza n-tipa). Difuzija: atomi nečistoće obično ulaze u poluvodičku ploču iz plinovitog medija kroz njezinu površinu na visokoj temperaturi (oko 1000 0) i šire se u dubinu zbog difuzije, t.j. toplinsko kretanje. Proces se provodi u posebnim difuzijskim pećima, gdje se temperatura i vrijeme procesa održavaju s velikom točnošću. Što je duže vrijeme i temperatura, nečistoće dalje prodiru u dubinu ploče. Difuzijski pn spoj ispada ravan, a njegova površina je velika i jednaka površini izvorne ploče, radne struje dosežu desetke ampera.
Prema izvršenoj funkciji razlikuju se ispravljačke, impulsne, pretvaračke, sklopne, detektorske diode, zener diode, varikape itd. Zasebne klase dioda mogu se podijeliti u podklase ovisno o radnom frekvencijskom rasponu (niskofrekventne, visokofrekventne, mikrovalne diode, diode optičkog raspona). Diode se također razlikuju po poluvodičkom materijalu: najšire se koristi silicij, koji zamjenjuje prethodno uobičajeni germanij. Silicijske diode imaju višu maksimalnu radnu temperaturu (Si - 125 ... 150 0 C, Ge - 70 ... 80 0 C) i nekoliko redova veličine nižu obrnutu struju. Broj galij-arsenidnih dioda (osobito metal-poluvodičkih), koje su po parametrima superiornije od silicijevih dioda, stalno raste.
Razmotrite neke vrste dioda i njihove glavne parametre.
1.Ispravljačke niskofrekventne diode. Koriste se u AC izvorima napajanja.
Glavni električni parametri diode su vrijednosti U ex.avg pri danom I ex.avg, kao i I arr.avg pri datoj amplitudnoj (maksimalnoj) vrijednosti obrnutog napona (U arr.max) vrijednosti naprijed napona i reverzne struje za razdoblje). Za silikonske diode s pn spojem, koje su najčešće, U ave.av ne prelazi 1..1.5V pri T = 20 0 C. S povećanjem temperature ova vrijednost se smanjuje, a TKN ovisi o vrijednosti naprijed Trenutno; opada s povećanjem struje, a pri velikoj struji može čak postati pozitivan. Reverzna struja silicijevih dioda pri T = 20 0 C u pravilu ne prelazi desetinke μA, a raste s porastom temperature (temperatura udvostručenja je oko 10 0 C). Pri T=20 0 C obrnutu struju možemo zanemariti. Probojni napon silikonskih dioda iznosi stotine volti i raste s porastom temperature.
Prednji napon silicijevih dioda s spojem metal-poluvodič je približno dva puta manji nego kod dioda s p-n spojem. A obrnuta struja je nešto veća i jače ovisi o temperaturi, udvostručavajući se za svakih 6..8 0 S.
Prilikom odabira vrste diode uzimaju se u obzir najveća dopuštena ispravljena struja, obrnuti napon i temperatura. Ovisno o dopuštenoj struji, diode male (<300мА), средней (<1А) и большой (>10A) snaga. Granični obrnuti napon ograničen je slomom prijelaza i nalazi se u rasponu od 50 do 1500V. Da bi se povećao dopušteni obrnuti napon, diode su spojene serijski. Nekoliko dioda spojenih u seriju, proizvedenih u jednom tehnološkom ciklusu i zatvorenih u zajedničko kućište, nazivaju se ispravljačkim stupom. Maksimalna radna temperatura silicijskih dioda doseže 125..50 0 C i ograničena je rastom obrnute struje.
Diode male snage s malom površinom p-n spoja (manje od 1 mm 2) nastaju spajanjem, one velike snage s velikom površinom - difuzijom. Energetske diode s p-n spojem mogu raditi do frekvencija obično ne više od 1 kHz, a diode s spojem metal-poluvodič - do frekvencija od stotine kHz.
Germanijeve diode imaju prednji napon približno 1,5..2 puta manji od silikonskih dioda (obično ne više od 0,5 V) zbog manjeg pojasa. Uglavnom je određen padom napona na otporu baze, u ovom slučaju TC U pr >0. Reverzna struja pri T=20 0 C je za 2..3 reda veličine veća nego u silicijevim diodama i jače ovisi o temperaturi. Udvostručavajući se za svakih 8 0 C, u vezi s tim, maksimalna radna temperatura je znatno niža (70 ... 80 0 C).
Mehanizam toplinskog kvara dovodi do činjenice da germanijeve diode ne uspijevaju čak i kod kratkotrajnih impulsnih preopterećenja. Ovo je značajan nedostatak. Probojni napon opada s porastom temperature.
Zbog male površine spoja, najveće dopuštene istosmjerne struje visokofrekventnih dioda su male (obično manje od 100 mA), probojni naponi u pravilu ne prelaze 100 V.
3. pulsne diode. Dizajniran za rad u pulsnom načinu rada, tj. u uređajima za formiranje i pretvorbu impulsnih signala, ključnim i digitalnim sklopovima.
Najvažniji parametar impulsnih dioda je vrijeme oporavka obrnutog otpora. Karakterizira prijelazni proces prebacivanja diode iz stanja sa zadanom strujom naprijed I CR u stanje sa zadanim reverznim naponom U arr. Na slici 7.6 prikazani su vremenski dijagrami napona i struje kroz diodu.
Vrijeme oporavka t se računa od trenutka t 1 promjene napona na diodi iz izravnog u obrnuto do trenutka t 2 kada obrnuti napon dosegne vrijednost od 0,1 pr. momenta t 1), kao i procesa ponovnog punjenja kapacitivnost barijere. Kod preklopnih dioda vrijeme oporavka treba biti što kraće; potrebno je smanjiti vijek trajanja manjinskih nosača u bazi, za što su silikonske diode s p-n spojem dopirane zlatom. Ali za silikonske diode nije moguće dobiti vrijeme oporavka reda manje od 1 ns. U galijevom arsenidu životni vijek je mnogo kraći nego u siliciju, a u diodama s p-n spojem moguće je dobiti t res reda 0,1 ns. Smanjenje kapacitivnosti barijere postiže se smanjenjem prijelaznog područja. Najkraće vrijeme oporavka (t re<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.
Za sve impulsne diode, kapacitivnost je određena pri određenom obrnutom naponu i frekvenciji izmjeničnog signala koji se koristi u mjerenju. Minimalne vrijednosti kapacitivnosti su 0,1…1 pF.
Specifični parametri impulsnih dioda uključuju maksimalnu impulsnu obrnutu struju I rev.i.max i maksimalni impulsni otpor r pr.i.max, jednak omjeru maksimalnog napona naprijed u procesu njegovog uspostavljanja prema naprijed struji. Poželjno je da vrijednosti ovih količina budu što manje.
Za impulsne diode također su važni statički parametri koji određuju stabilne vrijednosti struje i napona u krugovima. To uključuje naprijed napon pri danoj naprijed struji i obrnutu struju pri danom obrnutom naponu.
4. Zener diode. Zener dioda je poluvodička dioda dizajnirana za stabilizaciju napona u krugovima. Zener diode se koriste u izvorima napajanja, limiterima, stezaljkama razine, referentnim naponima i drugim uređajima. Princip rada zener dioda temelji se na korištenju lavine ili tunelskog kvara u p-n spoju. Slika 7.7 prikazuje tipičnu volt-ampersku karakteristiku zener diode s obrnutim naponom.
U kvarnom dijelu - radnom dijelu CVC-a, napon vrlo slabo ovisi o struji. Minimalna vrijednost radne struje I st.min odgovara početku "vertikalnog" presjeka I–V karakteristike, gdje se postiže mali diferencijalni otpor r diff =ΔU/ΔI. Maksimalna struja I st.max određena je dopuštenom disipacijom snage. Glavni parametar je stabilizacijski napon U st, koji je praktički jednak naponu proboja, postavljen je na određenu vrijednost struje I st u radnom području.
Preklopni krug zener diode prikazan je na slici 7.8.
Ovdje je R ogr ograničavajući otpornik; R n - otpornik opterećenja, napon na kojem je U n \u003d U st. Struja koja teče kroz ograničavajući otpornik je I \u003d (EU st) / R ogr, a struja kroz zener diodu I st \u003d II n, gdje je I n \u003d U st / R n, što odgovara radnoj točki c na slici 3.11. Ako napon napajanja odstupi za iznos od nominalne vrijednosti, struja kroz zener diodu mijenja se za Δ I st = ΔE) / R granica pri r diff<<(R огр ││ R н) и рабочая точка перемещается в пределах участка C ’ C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину
(7.11)
Ako se struja opterećenja promijeni i stoga će se opterećenje na vrijednost Δ I n, zatim struja kroz zener diodu i Δ U \u003d - r diff ΔI n promijeniti na približno isti način. Znak "-" znači da kako se struja opterećenja povećava, struja zener diode opada. Da bi se postigla dobra stabilizacija, diferencijalni otpor bi trebao biti što manji.
Probojni napon p-n spoja opada s povećanjem koncentracije baznih nečistoća. Za uređaje raznih tipova, U st može biti od 3 do 200V.
Utjecaj temperature procjenjuje se temperaturnim koeficijentom stabilizacijskog napona TKN, koji karakterizira promjenu napona U st s promjenom temperature za jedan stupanj, t.j.
(7.12)
Naponski temperaturni koeficijent može biti od 10 -5 do 10 -3 K -1 . Vrijednost U članka i predznaka TKN ovise o otpornosti glavnog poluvodiča. Zener diode za napone do 7V izrađene su od silicija niske otpornosti, t.j. s visokom koncentracijom nečistoća. U ovim zener diodama p-n spoj ima malu debljinu, u njemu djeluje polje visokog intenziteta, a do sloma dolazi uglavnom zbog tunelskog efekta. U ovom slučaju, TKN je negativan. Ako se koristi silicij s nižom koncentracijom nečistoća, tada će p-n spoj biti deblji. Njegov se slom događa pri višim naponima i predstavlja lavinu. Takve zener diode karakterizira pozitivan TKN.
Temperaturni koeficijent stabilizacije visokonaponskih zener dioda može se smanjiti za 1 ... 2 reda veličine, koristeći toplinsku stabilizaciju. Da biste to učinili, stražnji spojeni p-n spoj zener diode spojen je u seriju s jednim ili dva p-n spoja spojena u smjeru naprijed. Poznato je da napon naprijed na p-n spoju opada s povećanjem temperature, što kompenzira povećanje probojnog napona. Takve termički kompenzirane zener diode nazivaju se preciznim. Koriste se kao referentni izvori napona.
Najčešće, zener dioda radi u takvom načinu kada je napon izvora nestabilan, a otpor opterećenja R n je konstantan. Za uspostavljanje i održavanje ispravnog načina stabilizacije u ovom slučaju, granica otpora R mora imati određenu vrijednost. Obično se R ogr izračunava za srednju točku s karakteristikama zener diode. Ako se napon E promijeni od E min do E max, tada se R granica može pronaći pomoću sljedeće formule
(7.13)
gdje je E cf \u003d 0,5 (E min + E max) - prosječni napon izvora;
I cf \u003d 0,5 (I min + I max) - prosječna struja zener diode;
I n \u003d U st / R n - struja opterećenja.
Ako se napon E počne mijenjati u jednom ili drugom smjeru, tada će se promijeniti struja zener diode, ali napon na njoj, a time i na opterećenju, bit će gotovo konstantan. Budući da sve promjene napona izvora mora apsorbirati ograničavajući otpornik, najveća promjena tog napona, jednaka E max - E min , mora odgovarati najvećoj mogućoj promjeni struje, pri kojoj je stabilizacija još očuvana, t.j. I max - I min. Iz toga slijedi da ako se vrijednost E promijeni za ΔE, tada će se stabilizacija provesti samo ako je uvjet
Drugi mogući način stabilizacije koristi se kada je E=const, a R n varira od R n min do R n max . Za takav režim, granica R može se odrediti iz prosječnih vrijednosti struja prema formuli
(7.15)
I n cf = 0,5 (I n min + I n max), i I n min \u003d U st / R n max i I n max \u003d U st / R n min.
Za postizanje viših stabilnih napona koristi se serijski spoj zener dioda dizajniranih za iste struje.
5. Varikapi. Diode se nazivaju varikapi, čiji se princip rada temelji na ovisnosti kapacitivnosti barijere p-n spoja o obrnutom naponu. Na ovaj način. Varikapi su kondenzatori promjenjivog kapaciteta, koji se ne upravljaju mehanički, već električno, t.j. obrnuta promjena napona. Koriste se kao elementi s električnim kontroliranim kapacitetom u krugovima za ugađanje frekvencije titrajnog kruga, dijeljenja i množenja frekvencije, frekvencijske modulacije, kontroliranih faznih pomaka itd.
Najjednostavniji krug za uključivanje varikapa za podešavanje frekvencije titrajnog kruga prikazan je na slici 7.9.
Upravljački napon U se primjenjuje na varikap VD preko otpornika visokog otpora R, koji smanjuje ranžiranje varikapa i oscilatornog kruga od strane izvora napona. Kako bi se eliminirala istosmjerna struja kroz induktivni element, oscilatorni krug je spojen paralelno s varikapom preko razdjelnog kondenzatora velikog kapaciteta Cp. Promjenom veličine obrnutog napona i, posljedično, kapacitivnosti varikapa i ukupnog kapaciteta titrajnog kruga, mijenja se rezonantna frekvencija potonjeg.
Glavni poluvodički materijal za izradu varikapa je silicij, također se koristi galijev arsenid, koji osigurava nižu otpornost baze.
Električni parametri varikapa uključuju kapacitivnost pri nazivnom, maksimalnom i minimalnom naponu, mjerenu na zadanoj frekvenciji, koeficijent preklapanja kapaciteta, faktor kvalitete, frekvencijski raspon, temperaturne koeficijente kapacitivnosti i faktor kvalitete. U različitim vrstama varikapa, nazivni kapacitet može se kretati od nekoliko jedinica do nekoliko stotina pikofarada.
Difuzijska kapacitivnost je virtualna kapacitivnost koja simulira učinak konačnog vremena "resorpcije" neravnotežnog naboja manjinskih nositelja u visokootpornom dijelu p-n- tranzicija.
Ako, kao i prije, razmotrimo slučaj kada je regija R je većeg otpora, tj.
n n >> p n,
zatim na području R elektroni su manjinski nosioci i njihova ravnotežna koncentracija je niska. Kada se primijeni prednagib, elektroni su glavni nositelji sloja n- u velikom broju prelaze u sloj R, stvarajući tamo prostorni naboj neravnotežnih manjinskih nositelja.
Ako naglo promijenimo primijenjeni napon u napon blokiranja, tada dolazi do prijelaza elektrona iz n-regija će se zaustaviti, ali elektroni sloja n, uhvaćen R- sloj (neravnotežni prostorni naboj), će se, kao manjinski nosioci, vratiti u sloj n, dok je svemirski naboj manjinskih nosača u R- regija se neće smanjiti u ravnotežu. Fizički, to znači da neko vrijeme nakon promjene napona iz izravnog u obrnuto p-n- prijelazom će teći obrnuta struja mnogo veća od ravnotežne vrijednosti I S(slika 3.12, ali).
Riža. 3.12. Manifestacija difuzijske sposobnosti p-n- tranzicija:
ali– pri niskoj brzini promjene signala;
b– pri velikoj brzini promjene signala
Na sl. 3.12, b pokazuje kako difuzijski kapacitet pri visokoj frekvenciji promjena napona dovodi do gubitka svojstva jednosmjerne vodljivosti pn-tranzicija. Očito je da što je veća istosmjerna struja, što je veći neravnotežni naboj, to je više vremena potrebno za njegovu apsorpciju (pražnjenje difuzijskog kapaciteta), to je veća inercija p-n- tranzicija.
3.7. Slom pn-tranzicija
Povećanje obrnutog napona na određenu kritičnu vrijednost uzrokuje pojavu lavinskog porasta obrnute struje, koja će, ako se ne poduzmu mjere za njeno ograničavanje, uzrokovati uništenje p-n- tranzicija. Taj se fenomen naziva slom. Mehanizam fizičkog kvara prilično je kompliciran i može se uvjetno podijeliti u dvije vrste: toplinske i električne.
toplinski slom
Toplinski slom može se pojednostaviti na sljedeći način: kada protječe obrnuta struja p-n- prijelazna snaga se oslobađa P=U 0 ja 0 , što dovodi do zagrijavanja mase poluvodiča. Nastaje pozitivna toplinska veza, koja će, ako se ne osigura toplinska ravnoteža (zbog učinkovitog odvođenja topline), dovesti do toplinske destrukcije p-n- tranzicija. Sprečavanje toplinskog bijega glavni je inženjerski izazov i postiže se ograničavanjem količine obrnutog napona i osiguravanjem dobrog odvođenja topline iz pn-prijelaz (instalacija pn-prijelaz na ploče koje odvode toplinu-radijatore, aktivna ventilacija).
U idealnoj obrnutoj struji, čak i uz relativno mali obrnuti napon, ne ovisi o vrijednosti potonjeg. Međutim, u stvarnim studijama, uočeno je prilično snažno povećanje obrnute struje s povećanjem primijenjenog napona, a u silicijskim strukturama reverzna struja je 2-3 reda veličine veća od toplinske struje. Takvo neslaganje između eksperimentalnih i teorijskih podataka objašnjava se hermetičkim stvaranjem nositelja naboja izravno u području te postojanjem kanalskih struja i struja curenja.
Kanalske struje nastaju zbog prisutnosti površinskih energetskih stanja koja savijaju energetske pojaseve blizu površine i dovode do pojave inverznih slojeva. Ti se slojevi nazivaju kanali, a struje koje teku kroz prijelaz između inverznog sloja i susjedne regije nazivaju se kanalske struje.
Kapacitivnosti p-n-spoj.
Uz električnu vodljivost, -spoj ima i određeni kapacitet. Kapacitivna svojstva su posljedica prisutnosti električnih naboja s obje strane granice, koje stvaraju ioni nečistoća, kao i mobilni nosači naboja koji se nalaze blizu granice.
Kapacitet je podijeljen u dvije komponente: barijeru, koja odražava preraspodjelu naboja u , i difuziju, koja odražava preraspodjelu naboja u blizini . U prednjoj pristranosti spoja uglavnom se očituje difuzijski kapacitet, dok se u obrnutom prednaponu (način ekstrakcije) naboji u blizini (u bazi) malo mijenjaju, a kapacitivnost barijere igra glavnu ulogu.
Budući da vanjski napon utječe na širinu , vrijednost prostornog naboja i koncentraciju ubrizganih nosača naboja, kapacitet ovisi o primijenjenom naponu i njegovom polaritetu.
Kapacitivnost barijere nastaje zbog prisutnosti donorskih i akceptorskih iona nečistoća u spoju, koji tvore, takoreći, dvije nabijene kondenzatorske ploče. S promjenom napona blokiranja, na primjer, povećanjem, širina spoja se povećava i dio mobilnih nosača naboja (elektroni u području i rupe u području) se isisava električnim poljem iz slojeva susjednih spoj. Kretanje ovih nositelja naboja inducira struju u krugu
gdje je promjena naboja osiromašenog spojnog sloja. Ova struja postaje jednaka nuli na kraju prijelaznog procesa promjene granica prijelaza.
Vrijednost oštrog prijelaza može se odrediti iz približnog izraza
gdje su površina i debljina na .
S povećanjem primijenjenog obrnutog napona U, kapacitivnost barijere se smanjuje zbog povećanja debljine prijelaza (slika 2.10, a).
Ovisnost se naziva kapacitivnost-naponska karakteristika.
Kada se na p-n spoj spoji istosmjerni napon, kapacitet barijere raste zbog smanjenja . Međutim, u ovom slučaju, povećanje naboja zbog injektiranja igra važnu ulogu, a kapacitet -spoja je određen uglavnom difuzijskom komponentom kapacitivnosti.
Kapacitet difuzije odražava fizički proces promjene koncentracije mobilnih nosača naboja akumuliranih u regijama zbog promjena u koncentraciji ubrizganih nosača.
Učinak difuzijskog kapaciteta može se objasniti sljedećim primjerom.
Pustite da kroz nju teče struja naprijed zbog ubrizgavanja rupa u područje baze. Naboj akumuliran u bazi stvaraju manjinski nosioci, proporcionalni ovoj struji, i naboj većinskih nositelja, što osigurava elektroneutralnost poluvodiča. Uz brzu promjenu polariteta primijenjenog napona, ubrizgane rupe nemaju vremena za rekombinaciju i pod djelovanjem obrnutog napona vraćaju se u područje emitera. Glavni nosači naboja kreću se u suprotnom smjeru i odlaze duž tračnice snage. U ovom slučaju, reverzna struja se znatno povećava. Postupno, dodatni naboj rupa u bazi nestaje (otapa se) zbog njihove rekombinacije s elektronima i vraćanja u -područje. Reverzna struja se smanjuje na statičku vrijednost (slika 2.10. b).
Riža. 2.10. Kapacitetsko-naponske karakteristike (a) i promjena struje s promjenom polariteta napona (o): 1 - glatki prijelaz; 2 - nagli prijelaz
Spoj se ponaša kao kapacitivnost, a naboj difuzijskog kapaciteta proporcionalan je naprijednoj struji koja je prethodno tekla kroz spoj.
