Mecanism invers al curgerii curentului prin trecere este relativ ușor. Purtătorii de sarcină, care sunt minori pentru una dintre regiuni, în derivă în câmpul electric al regiunii de încărcare spațială, cad în regiunea în care sunt deja purtătorii principali. Deoarece concentrația transportatorilor majoritari depășește de obicei semnificativ concentrația transportatorilor minoritari din regiunea vecină (n n>> n pși p p >> p n), atunci apariția într-o anumită regiune a semiconductorului a unei cantități suplimentare nesemnificative de purtători de sarcină majoritari practic nu schimbă starea de echilibru a semiconductorului.
O imagine diferită se obține cu fluxul de curent continuu ... În acest caz, componenta de difuzie predominantă a curentului, constând din purtătorii majoritari de sarcină, depășește bariera de potențial și pătrunde în regiunea semiconductoare, pentru care sunt purtători minoritari. În acest caz, concentrația purtătorilor minoritari poate crește semnificativ în comparație cu concentrația de echilibru. Fenomenul de introducere a purtătorilor de neechilibru se numește injecţie.
Când trece curentul continuu p-n- trecerea de la regiunea electronică la cea de gaură va fi injecția de electroni, de la regiunea de gaură la cea de electroni - injecția de găuri.
Pentru simplitate, în cele ce urmează, vom lua în considerare doar injecția de găuri din regiunea găurilor a semiconductorului în regiunea de electroni, extinzând apoi toate concluziile făcute la contraprocesul de injecție de electroni în regiunea găurii. Dacă este atașat de p-n- tensiune de tranziție în direcția de transmisie (Figura 3.13), atunci înălțimea barierei de potențial va scădea și un anumit număr de găuri va putea pătrunde în n- regiune.
Figura 3.13. Diagrama fluxului de curent continuu prin joncțiune
Înainte să apară aceste găuri n- regiunea era neutră din punct de vedere electric, adică sarcini pozitive și negative în fiecare dintre volumele suficient de mici n- ariile din suma au fost egale cu zero.
Găuri injectate din R- zone în n- zonă, reprezintă o sarcină spațială pozitivă. Această sarcină creează un câmp electric care se propagă în volumul semiconductorului și pune în mișcare principalii purtători de sarcină - electronii. Câmpul electric creat de găuri atrage electroni în găuri, a căror sarcină spațială negativă ar trebui să compenseze sarcina spațială pozitivă a găurilor. Cu toate acestea, concentrația de electroni în apropierea sarcinii spațiale a găurilor injectate va duce la o scădere a concentrației acestora în volumele adiacente, adică. la încălcarea neutralității electrice și apariția unei sarcini spațiale în aceste volume.
Deoarece nicio redistribuire a sarcinilor libere în interiorul unui semiconductor neutru electric nu poate compensa încărcătura spațială a găurilor, un număr suplimentar de electroni trebuie să intre de la terminalul extern pentru a restabili starea de neutralitate electrică a semiconductorului, a cărui sarcină totală va fi egală. la sarcina totală a orificiilor injectate. Deoarece un electron și o gaură au sarcini de mărime egală și semn opus, numărul de electroni care intră în volumul semiconductorului de la terminalul extern ar trebui să fie egal cu numărul de găuri injectate.
Astfel, concomitent cu apariția în n- regiunea unui anumit număr de găuri injectate - purtători minori de neechilibru - apare același număr de electroni - principalii purtători de neechilibru. Atât aceștia, cât și alți purtători sunt neechilibrați, deoarece creează o concentrație care diferă de concentrația de echilibru termodinamic.
Procesul de compensare a încărcăturii spațiale a purtătorilor minoritari de neechilibru de către sarcina spațială a purtătorilor majori de neechilibru decurge extrem de rapid. Timpul de stabilizare al acestui proces este determinat de timpul de relaxare
și este pentru germaniu (ε = 16), a cărui rezistivitate este 10 Ohm. cm, aproximativ 10-11 sec. Stabilirea unui proces poate fi deci considerată instantanee.
Deoarece concentrația de purtători este mare direct la joncțiune, purtătorii, datorită prezenței unui gradient de concentrație, se vor propaga adânc în cea mai mare parte a semiconductorului în direcția concentrațiilor mai mici. În același timp, concentrația purtătorilor neechilibrați va scădea datorită recombinării, astfel încât valoarea concentrației totale va tinde către valoarea de echilibru.
Figura 3.14. Curba de distribuție a concentrației de neechilibru nebazic
purtători (găuri) în regiunea electronică a joncțiunii pn
Dacă concentrația de neechilibru este mică în comparație cu concentrația de purtători majoritari de echilibru (nivel scăzut de injecție), atunci scăderea concentrației de purtători de neechilibru în direcția de tranziție în interiorul semiconductorului se va produce exponențial (Fig. 3.14). :
(3.23)
L caracterizează distanța medie la care purtătorii reușesc să difuzeze în timpul vieții.
Într-un punct suficient de departe de tranziție (x →¥ ) se va menţine concentraţia de echilibru a purtătorilor de sarcină.
La un nivel scăzut de injecție, concentrația de purtători neechilibrați în n- regiunea din apropierea interfeței va depinde exponențial de mărimea tensiunii aplicate joncțiunii:
(3.24)
(la U= 0; crește rapid odată cu creșterea valorilor pozitive U).
Rețineți că modificarea tensiunii pe joncțiune cu Δ u va duce la o creștere a concentrației găurilor de neechilibru în n- zona, adica la o schimbare a responsabilului. O modificare a sarcinii cauzată de o modificare a tensiunii poate fi privită ca acțiunea unei anumite capacități. Această capacitate se numește difuziune , deoarece apare din cauza unei modificări a componentei de difuzie a curentului prin joncțiune.
Se poate concluziona că capacitatea de difuzie se va manifesta la curenți direct prin joncțiune sau la tensiuni inverse scăzute, când valoarea curentului de difuzie nu poate fi încă neglijată în comparație cu curentul de conducție.
Reprezentăm capacitatea de difuzie ca o modificare a sarcinii Δ Q legat de modificarea tensiunii Δ care a provocat-o u:
si estimati influenta curentului prin jonctiune asupra valorii capacitatii de difuzie.
Sarcina totală a purtătorilor minoritari de neechilibru în n-area poate fi obţinută prin integrarea expresiei (3.23).
O modificare a tensiunii externe dU la joncțiunea p-n duce la o modificare a sarcinii acumulate dQ în aceasta. Prin urmare, joncțiunea p-n se comportă ca un condensator, a cărui capacitate este C = dQ / dU.
În funcție de natura fizică a sarcinii în schimbare, se disting capacitățile de barieră (încărcare) și de difuzie.
Capacitatea de barieră (încărcare) este determinată de modificarea sarcinii necompensate a ionilor atunci când lățimea stratului de barieră se modifică sub influența unei tensiuni inverse externe. Prin urmare, o joncțiune ideală electron-gaură poate fi privită ca un condensator plat, a cărui capacitate este determinată de relația
unde П, d sunt aria și grosimea joncțiunii p-n, respectiv.
Din relațiile (1.41) și (1.31) rezultă
.
În cazul general, dependența capacității de încărcare de tensiunea inversă aplicată joncțiunii p-n este exprimată prin formula
,
unde C 0 este capacitatea joncțiunii p-n la U OBR = 0; g - coeficient în funcție de tipul de tranziție p-n (pentru tranziții p-n ascuțite g = 1/2, iar pentru netede g = 1/3).
Capacitatea barierei crește odată cu creșterea NA și N D, precum și cu scăderea tensiunii inverse. Natura dependenței C BAR = f (U OBR) este prezentată în Fig. 1.13, a.
Luați în considerare capacitatea de difuzie. Pe măsură ce tensiunea externă aplicată joncțiunii p – n în direcția înainte crește, crește concentrația de purtători injectați în apropierea limitelor joncțiunii, ceea ce duce la o modificare a cantității de sarcină cauzată de purtătorii minoritari în regiunile p și n. Aceasta poate fi văzută ca o manifestare a unei anumite capacități. Deoarece depinde de modificarea componentei de difuzie a curentului, se numește difuzie. Capacitatea de difuzie este raportul dintre creșterea sarcinii de injecție dQ inzh și modificarea tensiunii dU pr care a provocat-o, adică. 
... Folosind ecuația (1.30), se poate determina sarcina purtătorilor injectați, de exemplu, găurile din regiunea n:
Figura 1.13 Dependența capacităților de barieră (a) și difuzie (b) ale joncțiunii p-n de tensiune.
Apoi capacitatea de difuzie, cauzată de o modificare a încărcăturii totale a găurilor de neechilibru din regiunea n, este determinată de formula
.
În mod similar, pentru capacitatea de difuzie datorată injectării de electroni în regiunea p,
.
Figura 1.13 Circuitul de joncțiune p-n echivalent.
Capacitate totală de difuzie
Dependența capacității de tensiunea directă la joncțiunea p-n este prezentată în Figura 1.13, b.
Capacitatea totală a joncțiunii p-n este determinată de suma capacităților de încărcare și difuzie:
.
Când joncțiunea p-n este pornită în direcția înainte, predomină capacitatea de difuzie, iar când este pornită în direcția opusă, predomină capacitatea de încărcare.
În fig. 1.14 arată circuitul echivalent al joncțiunii p-n în curent alternativ. Circuitul conține rezistența diferențială a joncțiunii pn r D, capacitatea de difuzie C a DIF, capacitatea de barieră C a BAR și rezistența volumului regiunilor p și n r 1. Pe baza ecuației (1.37), puteți scrie:
.
Dacă, cu pornirea directă a tranziției p-n U pr >> j t, atunci:
La temperatura camerei 
; (1.42)
(în relația (1.42) valoarea curentă este substituită în amperi). Rezistența la scurgere r УТ ia în considerare posibilitatea trecerii curentului peste suprafața cristalului din cauza imperfecțiunii structurii sale. Cu conectare directă a joncțiunii p-n CU BARĂ<< С ДИФ, дифференциальное сопротивление r Д ПР мало и соизмеримо с r 1 , поэтому эквивалентная схема принимает вид, показанный на рис. 1.15, а.
Figura 1.15 Circuite echivalente de joncțiune pn simplificate.
Cu o polarizare inversă r D OBR >> r 1, S BAR >> S DIF și circuitul echivalent are forma prezentată în Fig. 1.15, b.
O diodă semiconductoare este inerțială în ceea ce privește schimbările suficient de rapide ale curentului sau tensiunii, deoarece o nouă distribuție purtătoare nu este stabilită imediat. După cum știți, tensiunea externă modifică lățimea joncțiunii și, prin urmare, mărimea sarcinilor spațiale din joncțiune. În plus, în timpul injectării sau extracției, sarcinile din regiunea de bază se modifică (rolul sarcinilor în emițător este nesemnificativ). Prin urmare, dioda are o capacitate care poate fi considerată conectată în paralel cu joncțiunea p-n. Această capacitate poate fi împărțită în două componente: capacitatea de barieră reflectând redistribuirea taxelor în joncțiune și capacitatea de difuzie, reflectând redistribuirea taxelor în bază. O astfel de diviziune este în general arbitrară, dar este convenabilă în practică, deoarece raportul ambelor capacități este diferit pentru polarități diferite ale tensiunii aplicate. Cu tensiunea directă, rolul principal este jucat de încărcăturile în exces în bază și, în consecință, capacitatea de difuzie. Cu tensiune inversă, încărcăturile în exces din bază sunt mici, iar capacitatea barieră joacă rolul principal. Rețineți în prealabil că ambele capacități nu sunt liniare: capacitatea de difuzie depinde de curentul direct, iar capacitatea de barieră depinde de tensiunea inversă.
Să determinăm valoarea capacității barierei, considerând tranziția ca fiind asimetrică de tip n + -p. Atunci lungimea sarcinii negative în baza de tip p poate fi considerată egală cu întreaga lățime a tranziției:. Să notăm modulul acestei taxe:
unde N este concentrația de impurități în bază; S - zona de tranziție. Aceeași sarcină (dar pozitivă) va fi în stratul emițător.
Imaginați-vă că aceste sarcini sunt situate pe plăcile unui condensator imaginar, a cărui capacitate poate fi determinată ca
Luând în considerare expresia pentru lățimea tranziției cu conexiunea inversă și diferențiind sarcina Q prin tensiune, obținem în sfârșit:
(7.10)
unde și, respectiv, sunt lățimea și înălțimea barierei de potențial în starea de echilibru.
Ținând cont de faptul că dioda are o capacitate, puteți realiza un circuit complet echivalent pentru curent alternativ (Figura 3.10a).
Rezistența R 0 în acest circuit reprezintă rezistența totală relativ scăzută a regiunilor n și p și contactele acestor regiuni cu cablurile. Rezistența neliniară R nl cu conexiune directă este egală cu R pr, adică. mic, iar la o tensiune inversă R nl = R arr, adică. este foarte mare. Circuitul echivalent dat în diferite cazuri de frecvență poate fi simplificat. La frecvențe joase, capacitatea este foarte mare și capacitatea poate fi ignorată. Apoi, cu o polarizare directă în circuitul echivalent, rămân doar rezistențele R 0 și R pr (Fig. 7.5b),
Figura 7.5b. Figura 7.5c.
și cu tensiune inversă - doar rezistența R arr, deoarece R 0<< R обр (рис.7.5в).
La frecvențe înalte, condensatoarele au o rezistență relativ mică. Prin urmare, cu tensiune directă, se obține un circuit conform Fig. 7.5d, (dacă frecvența nu este foarte mare, atunci Cdiff practic nu afectează),
Figura 7.5d. Figura 7.5e.
iar în cazul opus, R arr și C b rămân (Figura 7.5e).
Trebuie avut în vedere că există și o capacitate C între bornele diodei, care poate deriva în mod vizibil dioda la frecvențe foarte înalte. La cuptorul cu microunde poate apărea și inductanța cablurilor.
Clasificarea diodelor.
Clasificarea diodelor se realizează în principal:
1) privind metodele tehnologice de creare a joncțiunilor electrice și a structurilor de diode
2) în funcţie de funcţia îndeplinită a diodelor.
Conform tehnologiei de fabricație, diodele pot fi punctiforme și plane. Principalele caracteristici ale diodelor punctiforme: aria joncțiunii p-n este mică, au o capacitate scăzută (mai puțin de 1pF), curenți mici (nu mai mult de 1 sau zeci de mA). Sunt folosite la frecvențe înalte până la frecvențe ale microundelor. Tehnologie: un filament de wolfram acoperit cu o impuritate acceptor (pentru germaniu - indiu, pentru siliciu - aluminiu) este sudat pe o placă de germaniu de tip n sau siliciu de tip n folosind un impuls de curent mare.
Diode plane: Tehnologia de fabricație poate fi fie fuziune, fie difuzie. Atunci când este topită pe suprafața curățată a unei plachete semiconductoare, de obicei, o granulă de tip n dintr-un material acceptor de metal este plasată, de exemplu, aluminiu, dacă semiconductorul este siliciu. Când este încălzit la 600 ... 700 0 С, se topește și dizolvă stratul de siliciu adiacent, al cărui punct de topire este mult mai mare. După răcire la suprafața plăcii, un strat de siliciu de tip p + saturat cu aluminiu (emițător de tip p, bază de tip n). Difuzie: atomii de impurități vin de obicei dintr-un mediu gazos într-o placă semiconductoare prin suprafața acesteia la o temperatură ridicată (aproximativ 1000 0) și se propagă spre interior datorită difuziei, adică. mișcarea termică. Procesul se desfășoară în cuptoare speciale de difuzie, unde temperatura și timpul procesului sunt menținute cu mare precizie. Cu cât timpul și temperatura sunt mai lungi, cu atât impuritățile pătrund mai mult în adâncimea plăcii. Joncțiunea p-n de difuzie se dovedește a fi plată, iar aria sa este mare și egală cu aria plăcii originale, curenții de funcționare ajung la zeci de amperi.
După funcția îndeplinită se disting diode redresoare, impuls, conversie, comutare, diode detectoare, diode zener, varicaps etc. Clase separate de diode pot fi subdivizate în subclase în funcție de gama de frecvențe de funcționare (frecvență joasă, frecvență înaltă, diode cu microunde, diode din gama optică). Diodele se disting și prin materialul semiconductor: siliciul este cel mai utilizat, înlocuind germaniul răspândit anterior. Diodele de siliciu au o temperatură maximă de funcționare ridicată (Si - 125 ... 150 0 C, Ge - 70 ... 80 0 C) și un curent invers de câteva ordine de mărime mai mic. Numărul de diode cu arseniură de galiu (în special, diodele metalice semiconductoare), care sunt superioare ca parametri diodelor de siliciu, este în continuă creștere.
Să luăm în considerare câteva tipuri de diode și principalii lor parametri.
1.Diode redresoare de joasă frecvență... Sunt utilizate în sursele de alimentare cu redresare de curent alternativ.
Principalii parametri electrici ai diodei sunt valorile U pr.av la un anumit I pr.av, precum și valorile I arr. ale tensiunii directe și ale curentului invers pentru perioada respectivă). Pentru diodele de siliciu cu joncțiune pn, care sunt cele mai răspândite, U pr.av nu depășește 1..1.5V la T = 20 0 C. Odată cu creșterea temperaturii, această valoare scade, iar TKN depinde de valoarea curentului direct ; scade cu creșterea curentului, iar la curent mare poate deveni chiar pozitiv. Curentul invers al diodelor de siliciu la T = 20 0 C, de regulă, nu depășește zecimi de μA și crește odată cu creșterea temperaturii (temperatura de dublare este de aproximativ 10 0 C). La T = 20 0 C, curentul invers poate fi neglijat. Tensiunea de defalcare a diodelor de siliciu este de sute de volți și crește odată cu creșterea temperaturii.
Tensiunea directă a diodelor de siliciu cu o joncțiune metal-semiconductor este de aproximativ două ori mai mică decât la diodele cu o joncțiune p-n. Și curentul invers este ceva mai mare și depinde mai mult de temperatură, dublându-se la fiecare 6 ... 8 0 С.
La alegerea tipului de diodă se ia în considerare curentul redresat maxim admisibil, tensiunea inversă și temperatura. În funcție de curentul admis, diodele se disting cu un mic (<300мА), средней (<1А) и большой (>10A) putere. Tensiunea inversă limitatoare este limitată de defectarea joncțiunii și se află în intervalul de la 50 la 1500V. Pentru a crește tensiunea inversă admisă, diodele sunt conectate în serie. Mai multe diode conectate în serie, fabricate într-un singur ciclu tehnologic și închise într-o carcasă comună, sunt numite coloană redresor. Temperatura maximă de funcționare a diodelor de siliciu atinge 125..50 0 С și este limitată de creșterea curentului invers.
Prin metoda fuziunii sunt create diode de putere redusă cu o zonă mică de joncțiune p-n (mai puțin de 1 mm 2), cele puternice cu suprafață mare prin metoda difuziei. Diodele de putere cu joncțiune p-n pot funcționa până la frecvențe, de obicei, nu mai mult de 1 kHz, iar diodele cu tranziție metal-semiconductor - până la frecvențe de sute de kHz.
Diodele cu germaniu au o tensiune directă de aproximativ 1,5 ... 2 ori mai mică decât siliciul (de obicei nu mai mult de 0,5 V) datorită benzii interzise mai mici. Este determinată în principal de căderea de tensiune pe rezistența de bază, în acest caz TK U pr> 0. Curentul invers la Т = 20 0 С este cu 2..3 ordine de mărime mai mare decât în cazul diodelor de siliciu și depinde mai mult de temperatură. Dublarea la fiecare 8 0 С, în acest sens, temperatura maximă de funcționare este mult mai mică (70 ... 80 0 С).
Mecanismul de defalcare termică duce la faptul că diodele cu germaniu eșuează chiar și în cazul supraîncărcărilor de impuls pe termen scurt. Acesta este un dezavantaj semnificativ. Tensiunea de avarie scade odată cu creșterea temperaturii.
Datorită suprafeței mici de joncțiune, curenții continui maximi admisibili ai diodelor de înaltă frecvență sunt mici (de obicei mai mici de 100mA), tensiunile de întrerupere, de regulă, nu depășesc 100V.
3. Diode cu impulsuri. Proiectat pentru a funcționa într-un mod pulsat, de ex. în dispozitive pentru formarea și conversia semnalelor de impuls, cheie și circuite digitale.
Cel mai important parametru al diodelor cu impuls este timpul de recuperare al rezistenței inverse. Caracterizează procesul de tranziție de comutare a unei diode dintr-o stare cu un curent direct dat I pr la o stare cu o tensiune inversă dată U arr. Figura 7.6 prezintă diagramele de timp ale tensiunii și curentului printr-o diodă.
Timpul de recuperare t se calculează din momentul t 1 al modificării tensiunii pe diodă de la înainte la invers până la momentul t 2, când tensiunea inversă atinge 0,1 etc. momentul t 1), precum și procesul de reîncărcare capacitatea de barieră. La diodele cu impuls, timpul de recuperare trebuie să fie cât mai scurt posibil; este necesar să se reducă durata de viață a purtătorilor minoritari din bază, pentru care diodele de siliciu cu joncțiune p-n sunt dopate cu aur. Dar pentru diodele cu siliciu nu se poate obține un timp de recuperare de ordinul mai mic de 1 ns. În arseniura de galiu, durata de viață este mult mai scurtă decât în siliciu, iar la diodele cu joncțiune p-n se poate obține t rep de ordinul a 0,1 ns. Reducerea capacității de barieră se realizează prin reducerea zonei de joncțiune. Cel mai scurt timp de recuperare (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.
Pentru toate diodele cu impuls, capacitatea este indicată la o anumită tensiune inversă și o frecvență a semnalului alternativ utilizat în măsurare. Valorile minime ale capacității sunt 0,1 ... 1 pF.
Parametrii specifici ai diodelor cu impuls includ curentul invers maxim de impuls I arr.i.max și rezistența maximă la impuls r r.i.max, care este egală cu raportul dintre tensiunea maximă directă în timpul stabilirii sale și curentul direct. Este de dorit ca valorile acestor valori să fie cât mai mici posibil.
Pentru diodele cu impulsuri, sunt importanți și parametrii statici, care determină valorile în stare de echilibru ale curentului și tensiunii în circuite. Acestea includ tensiune directă la un curent direct dat și curent invers la o tensiune inversă dată.
4. Diode Zener. O diodă Zener este o diodă semiconductoare concepută pentru a stabiliza tensiunile din circuite. Diodele Zener sunt utilizate în surse de alimentare, limitatoare, cleme, referințe de tensiune și alte dispozitive. Principiul de funcționare al diodelor zener se bazează pe utilizarea avalanșei sau a defecțiunii tunelului în joncțiunea pn. Figura 7.7 prezintă o caracteristică tipică tensiune-curent a unei diode Zener la tensiune inversă.
În secțiunea de defalcare - secțiunea de lucru a caracteristicii I - V, tensiunea depinde foarte puțin de curent. Valoarea minimă a curentului de funcționare I st.min corespunde începutului secțiunii „verticale” a caracteristicii I - V, unde se realizează o rezistență diferențială mică r diff = ΔU / ΔI. Curentul maxim I st.max este determinat de puterea disipată admisă. Parametrul principal este tensiunea de stabilizare U st, practic egală cu tensiunea de rupere, este setată la o anumită valoare a curentului I st în secțiunea de lucru.
Diagrama de conectare a diodei Zener este prezentată în Figura 7.8.
Aici R ogr este un rezistor limitator; R n - rezistor de sarcină, tensiunea la care U n = U st. Curentul care trece prin rezistorul de limitare este I = (EU st) / R ogr, iar curentul prin dioda zener I st = II n, unde I n = U st / R n, care corespunde punctului de operare c din figura 3.11. Dacă tensiunea sursei de alimentare se abate cu o sumă de la valoarea nominală, curentul prin dioda zener se modifică cu Δ I st = ΔE) / R ogr la r dif<<(R огр ││ R н) и рабочая точка перемещается в пределах участка C ’ C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину
(7.11)
Dacă curentul de sarcină se modifică şi. în consecință, sarcina cu valoarea Δ I n, apoi curentul prin dioda zener se va modifica aproximativ în același mod și Δ U = - r dif ΔI n. Semnul „-” înseamnă că pe măsură ce curentul de sarcină crește, curentul diodei Zener scade. Pentru a obține o bună stabilizare, rezistența diferențială ar trebui să fie cât mai mică posibil.
Tensiunea de defalcare a joncțiunii p-n scade odată cu creșterea concentrației de impurități de bază. Pentru dispozitive de diferite tipuri, U st poate fi de la 3 la 200V.
Efectul temperaturii este estimat prin coeficientul de temperatură al stabilizării tensiunii a TKN, care caracterizează modificarea tensiunii U st când temperatura se modifică cu un grad, adică.
(7.12)
Coeficientul de temperatură al tensiunii poate fi de la 10 -5 la 10 -3 K -1. Valoarea lui U st și semnul lui TKN depind de rezistivitatea semiconductorului principal. Diodele Zener pentru tensiuni de până la 7V sunt fabricate din siliciu cu rezistivitate scăzută, adică. cu o concentrație mare de impurități. În aceste diode zener, joncțiunea pn are o grosime mică, un câmp de mare putere acționează în ea, iar defalcarea are loc în principal din cauza efectului de tunel. În acest caz, TKN se dovedește a fi negativ. Dacă se folosește siliciu cu o concentrație mai mică de impurități, atunci joncțiunea p-n va fi mai groasă. Defalcarea lui are loc la tensiuni mai mari și este o avalanșă. Pentru astfel de diode zener, un TCN pozitiv este caracteristic.
Coeficientul de temperatură de stabilizare al diodelor zener de înaltă tensiune poate fi redus cu 1 ... 2 ordine de mărime, folosind stabilizarea termică. Pentru a face acest lucru, joncțiunea p-n conectată invers a diodei zener este conectată în serie cu una sau două joncțiuni p-n conectate în direcția înainte. Se știe că tensiunea directă pe joncțiunea pn scade odată cu creșterea temperaturii, ceea ce compensează creșterea tensiunii de defalcare. Astfel de diode zener compensate cu temperatură sunt numite diode de precizie. Sunt folosite ca surse de referință de tensiune.
Cel mai adesea, dioda zener funcționează într-un astfel de mod atunci când tensiunea sursei este instabilă, iar rezistența de sarcină R n este constantă. Pentru a stabili și menține modul corect de stabilizare în acest caz, rezistența R ogr trebuie să aibă o anumită valoare. De obicei, R ogr este calculat pentru punctul de mijloc cu caracteristicile diodei Zener. Dacă tensiunea E se schimbă de la E min la E max, atunci puteți găsi R ogr cu următoarea formulă
(7.13)
unde E cf = 0,5 (E min + E max) este tensiunea medie a sursei;
I cf = 0,5 (I min + I max) - curentul mediu al diodei zener;
I n = U st / R n - curent de sarcină.
Dacă tensiunea E începe să se schimbe într-o direcție sau alta, atunci curentul diodei zener se va schimba, dar tensiunea pe ea și, prin urmare, pe sarcină, va fi aproape constantă. Deoarece toate modificările tensiunii sursei trebuie să fie absorbite de rezistența de limitare, cea mai mare modificare a acestei tensiuni, egală cu E max - E min, trebuie să corespundă celei mai mari modificări posibile a curentului la care se menține încă stabilizarea, adică. I max - I min. Rezultă că dacă valoarea lui E se modifică cu ΔE, atunci stabilizarea va fi efectuată numai dacă condiția
Al doilea mod posibil de stabilizare este aplicat atunci când E = const, iar R n se modifică în intervalul de la R n min la R n max. Pentru un astfel de mod, R ogr poate fi determinat de valorile medii ale curenților prin formula
(7.15)
I n cf = 0,5 (I n min + I n max), iar I n min = U st / R n max și I n max = U st / R n min.
Pentru a obține tensiuni stabile mai mari, se folosește o conexiune în serie de diode zener proiectate pentru aceiași curenți.
5. Varicaps. Varicaps sunt numite diode, al căror principiu se bazează pe dependența capacității de barieră a joncțiunii p-n de tensiunea inversă. În acest fel. Varicaps sunt condensatori variabili care nu sunt controlați mecanic, ci controlați electric, de exemplu. prin modificarea tensiunii inverse. Sunt folosite ca elemente cu capacitate controlată electric în circuite pentru reglarea frecvenței unui circuit oscilator, diviziunea și multiplicarea frecvenței, modularea frecvenței, defazatoare controlate etc.
Cel mai simplu circuit pentru pornirea unui varicap pentru reglarea frecvenței circuitului oscilator este prezentat în Fig. 7.9.
Tensiunea de comandă U este aplicată varicapului VD printr-un rezistor R de înaltă rezistență, care reduce șuntarea varicapului și a circuitului oscilant de către sursa de tensiune. Pentru a elimina curentul continuu prin elementul de inductanță, circuitul oscilator este conectat în paralel cu varicap printr-un condensator mare C p condensator de blocare. Prin modificarea valorii tensiunii inverse și, în consecință, a capacității varicapului și a capacității totale a circuitului oscilant, se modifică frecvența de rezonanță a acestuia din urmă.
Principalul material semiconductor pentru fabricarea varicapului este siliciul; se folosește și arseniura de galiu, care oferă o rezistență de bază mai mică.
Parametrii electrici ai varicapului includ capacitatea la tensiuni nominale, maxime și minime, măsurate la o frecvență dată, coeficientul de suprapunere a capacității, factorul de calitate, domeniul de frecvență, coeficienții de temperatură ai capacității și factorul de calitate. În diferite tipuri de varicaps, capacitatea nominală poate varia de la câteva unități la câteva sute de picofaradi.
Capacitatea de difuzie este o capacitate virtuală care simulează efectul unei „resorbții” în timp finit a sarcinii de neechilibru a purtătorilor minoritari în partea de înaltă rezistență. p-n- tranziție.
Dacă, ca înainte, luăm în considerare cazul când regiunea R este mai rezistentă, adică
n n >> p n,
apoi în zonă R electronii sunt purtători minoritari și concentrația lor de echilibru este scăzută. Când se aplică polarizarea directă, electronii sunt principalii purtători ai stratului n- într-o cantitate mare trece în strat R, creând acolo sarcina spațială a purtătorilor minoritari neechilibrați.
Dacă tensiunea aplicată este schimbată brusc la o tensiune de blocare, atunci trecerea electronilor de la n-regiunea se va opri, dar electronii stratului n prins in R- stratul (sarcină spațială de neechilibru), se va întoarce, la fel ca purtătorii minoritari, la strat nîn timp ce taxa spațială a transportatorilor minoritari este R- aria nu va scadea la echilibru. Din punct de vedere fizic, aceasta înseamnă că de ceva timp după schimbarea tensiunii de la înainte la invers p-n- tranziția va curge un curent invers, mult mai mare decât valoarea de echilibru ESTE(fig. 3.12, A).
Orez. 3.12. Manifestarea capacitatii de difuzie p-n- tranziție:
A- la o rată scăzută de schimbare a semnalului;
b- la o rată mare de modificare a semnalului
În fig. 3.12, b se arată cum capacitatea de difuzie la o frecvență mare de variație a tensiunii duce la pierderea proprietății de conductivitate unidirecțională p-n-tranziție. Evident, cu cât valoarea curentului direct este mai mare, cu atât sarcina de neechilibru este mai mare, cu atât este nevoie de mai mult timp pentru resorbția sa (descărcarea capacității de difuzie), cu atât inerția este mai mare. p-n- tranziție.
3.7. Dărâma p-n-tranziție
O creștere a tensiunii inverse până la o anumită valoare critică determină fenomenul unei creșteri asemănătoare avalanșei a curentului invers, care, dacă nu luați măsuri pentru limitarea acesteia, va provoca distrugeri. p-n- tranziție. Acest fenomen se numește defalcare. Mecanismul de defalcare fizică este destul de complicat și poate fi împărțit condiționat în două tipuri: termice si electrice.
Defalcare termică
Defalcarea termică poate fi simplificată prin următoarea diagramă: când trece un curent invers p-n- tranziția este alocată putere P = U 0 eu 0, ceea ce duce la încălzirea volumului semiconductorului. Apare o conexiune termică pozitivă, care, dacă echilibrul temperaturii nu este asigurat (datorită eliminării eficiente a căldurii), va duce la distrugere termică p-n- tranziție. Prevenirea evadarii termice este o provocare majoră de inginerie și se realizează prin limitarea cantității de tensiune inversă și asigurarea unei bune disipări a căldurii din p-n-tranziție (instalare p-n-trecerea la placi-radiatoare disipatoare de caldura, ventilatie activa).
În mod ideal, curentul invers, chiar și la o tensiune inversă relativ scăzută, nu depinde de valoarea acesteia din urmă. Cu toate acestea, în studiile reale, se observă o creștere destul de puternică a curentului invers cu creșterea tensiunii aplicate, iar în structurile de siliciu, curentul invers este cu 2-3 ordine de mărime mai mare decât cel termic. Această diferență între datele experimentale și cele teoretice se explică prin generarea ermetică a purtătorilor de sarcină direct în regiune și prin existența curenților de canal și a curenților de scurgere.
Curenții de canal sunt cauzați de prezența stărilor de energie de suprafață care distorsionează benzile de energie din apropierea suprafeței și duc la apariția unor straturi inversate. Aceste straturi se numesc canale, iar curenții care curg prin joncțiunea dintre stratul invers și regiunea adiacentă se numesc curenți de canal.
Capacități ale joncțiunii p-n.
Alături de conductivitatea electrică, joncțiunea - are și o anumită capacitate. Proprietățile capacitive se datorează prezenței sarcinilor electrice pe ambele părți ale graniței, care sunt create de ionii de impurități, precum și purtătorii de sarcină mobili aflați în apropierea graniței.
Capacitatea este subdivizată în două componente: barieră, care reflectă redistribuirea sarcinilor în interior, și difuzia, care reflectă redistribuirea sarcinilor în apropiere. Odată cu polarizarea directă a joncțiunii, capacitatea de difuzie se manifestă în principal; cu inversul (modul de extracție), sarcinile din apropiere (în bază) se schimbă puțin, iar capacitatea de barieră joacă rolul principal.
Deoarece tensiunea externă afectează lățimea, valoarea încărcăturii spațiale și concentrația purtătorilor de sarcină injectați, capacitatea depinde de tensiunea aplicată și de polaritatea acesteia.
Capacitatea de barieră se datorează prezenței impurităților donor și acceptor în joncțiunea -, care formează, parcă, două plăci de condensatoare încărcate. Odată cu o modificare a tensiunii de blocare, de exemplu, o creștere, lățimea joncțiunii crește și unii dintre purtătorii de sarcină mobili (electroni din regiune și găuri din regiune) sunt absorbiți de câmpul electric din straturile adiacente. până la joncțiune. Mișcarea acestor purtători de sarcină determină un curent în circuit
unde este modificarea sarcinii stratului de joncțiune epuizat. Acest curent devine egal cu zero la sfârșitul procesului tranzitoriu de modificare a limitelor tranziției.
Valoarea unei tranziții abrupte poate fi determinată din expresia aproximativă
unde sunt aria și grosimea la.
Odată cu creșterea tensiunii inverse aplicate U, capacitatea barierei scade datorită creșterii grosimii joncțiunii (Fig. 2.10, a).
Dependența se numește caracteristică capacitate-tensiune.
Când o tensiune directă este conectată la o joncțiune p-n, capacitatea barierei crește din cauza unei scăderi. Cu toate acestea, în acest caz, creșterea sarcinilor datorate injecției joacă un rol important, iar capacitatea joncțiunii este determinată în principal de componenta de difuzie a capacității.
Capacitatea de difuzie reflectă procesul fizic de modificări ale concentrației purtătorilor de sarcină mobili acumulate în regiuni datorită unei modificări a concentrației purtătorilor injectați.
Efectul capacității de difuzie poate fi ilustrat prin următorul exemplu.
Lăsați să curgă un curent continuu, datorită injectării găurilor în regiunea de bază. Baza acumulează sarcina creată de purtătorii minoritari, proporțional cu acest curent, și sarcina purtătorilor majoritari, ceea ce asigură electroneutritatea semiconductorului. Cu o schimbare rapidă a polarității tensiunii aplicate, găurile injectate nu au timp să se recombine și, sub acțiunea tensiunii inverse, se întorc în regiunea emițătorului. Purtătorii de încărcare principale se deplasează în direcția opusă și pleacă de-a lungul magistralei de alimentare. În acest caz, curentul invers este mult crescut. Treptat, sarcina suplimentară a găurilor din bază dispare (se dizolvă) datorită recombinării lor cu electronii și revine în regiunea -. Curentul invers scade la o valoare statică (Fig. 2.10. B).
Orez. 2.10. Caracteristicile capacitate-tensiune (a) și modificarea curentului la modificarea polarității tensiunii (o): 1 - tranziție lină; 2 - tranziție bruscă
Joncțiunea se comportă ca o capacitate, iar sarcina capacității de difuzie este proporțională cu curentul direct care a trecut anterior prin joncțiune.
