Gazmarket59.ru

Газ Маркет 59
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловой ток кремниевого диода

Тепловой ток кремниевого диода

В реальных выпрямительных диодах на основе p-n перехода при анализе вольт-амперных характеристик необходимо учитывать влияние генерационно-рекомбинационных процессов в обедненной области p-n перехода и падение напряжения на омическом сопротивлении базы p-n перехода при протекании тока через диод.

При рассмотрении влияния генерационно-рекомбинационных процессов в ОПЗ p-n перехода будем считать, что доминирующим механизмом генерационно-рекомбинационного процесса является механизм Шокли — Рида. В этом случае для моноэнергетического рекомбинационного уровня, расположенного вблизи середины запрещенной зоны полупроводника, выражение для темпа генерации (рекомбинации) имеет вид:

(4.6)

Параметры, входящие в соотношение 4.10, имеют следующие значения:
γn, γp — вероятности захвата электронов и дырок на рекомбинационный уровень;
Nt — концентрация рекомбинационных уровней;
n, p — концентрации неравновесных носителей;
n1, p1 — концентрации равновесных носителей в разрешенных зонах при условии, что рекомбинационный уровень совпадает с уровнем Ферми.

Из уравнений 4.6 и 1.20 следует, что при прямом смещении (VG > 0) произведение концентрации неравновесных носителей p·n будет больше, чем произведение концентрации равновесных носителей p1·n1 (p·n > p1·n1). Следовательно, правая часть уравнения 4.6 будет положительная, а скорость изменения концентрации неравновесных носителей dn/dt будет отрицательной. Таким образом, концентрация неравновесных носителей будет убывать и рекомбинация будет преобладать над генерацией.

При обратном смещении (VG

Величина произведения концентрации равновесных носителей p1·n1 будет равна квадрату собственной концентрации: p1n1 = ni 2 .

В этом случае из уравнения 4.6 следует, что

Учтем, что значения концентрации неравновесных носителей p, n будут меньше концентрации равновесных носителей p1 и n1: p

где τe — эффективное время жизни неравновесных носителей, определяемое как

(4.8)

Из соотношения 4.7 следует, что скорость изменения концентрации неравновесных носителей dn/dt будет положительной, следовательно, генерация будет преобладать над рекомбинацией. Для того чтобы рассчитать генерационный ток Jген, необходимо проинтегрировать по ширине области пространственного заряда W:

(4.9)

Рассмотрим зависимость генерационного тока Jген от обратного напряжения VG, приложенного к диоду, а также от температуры T (рис. 4.5).

Зависимость генерационного тока Jген от напряжения VG будет определяться зависимостью ширины области пространственного заряда W от напряжения VG. Поскольку ширина области пространственного заряда W определяется как , то генерационный ток Jген будет пропорционален корню из напряжения: Jген ∼ VG 1/2 .

Величина дрейфовой компоненты обратного тока J несимметричного p + -n перехода равна:

Сделаем оценку отношения теплового J и генерационного Jген токов для диодов, изготовленных из различных полупроводников:

(4.10)

Рис. 4.5. Вклад генерационного тока Jген в обратный ток p-n перехода

Для германия (Ge) характерны следующие параметры: W = 1 мкм; Ln = 150 мкм, ni = 10 13 см -3 , ND = 10 15 см -3 . Подставляя эти величины в соотношение 4.10, получаем, что генерационный ток и тепловой ток одинаковы, Iген

Для кремния (Si) характерны следующие параметры: W = 1 мкм; Ln = 500 мкм, ni = 10 10 см -3 , ND = 10 15 см -3 . Подставляя эти величины в соотношение 4.10, получаем, что генерационный ток много больше, чем тепловой ток, Iген / Is

Таким образом, для кремниевых диодов на основе p-n перехода в обратном направлении преобладает генерационный ток, а для германиевых диодов — тепловой ток.

Читайте так же:
Что такое генератор тепловоза постоянного тока

Как следует из уравнения 4.10, соотношения генерационого и теплового токов зависят от собственной концентрации ni. Если собственная концентрация ni мала (широкозонный полупроводник), — преобладает генерационный ток, если значение ni велико (узкозонный полупроводник), — преобладает тепловой ток.

4.3.2. Влияние рекомбинации неравновесных носителей в ОПЗ p-n перехода на прямой ток диода

При прямом смещении (VG > 0) p-n перехода из соотношения 1.20 следует, что

Из уравнений 4.6 и 1.20 следует, что при прямом смещении (VG > 0) произведение концентрации неравновесных носителей p·n будет больше, чем произведение концентрации равновесных носителей p1·n1 (p·n > p1·n1).

Предположим, что рекомбинационный уровень Et находится посредине запрещенной зоны полупроводника Et = Ei. Тогда p1 = n1 = ni, а коэффициенты захвата одинаковы: γn = γp. В этом случае уравнение 4.6 примет вид:

(4.11)

Из уравнения (4.11) следует, что темп рекомбинации dn/dt будет максимален в том случае, если знаменатель имеет минимальное значение. Это состояние реализуется в той точке ОПЗ, когда квазиуровни Ферми находятся на равном расстоянии от середины запрещенной зоны, то есть расстояние φ0 n,p от середины зоны Ei до квазиуровней Fn и Fp одинаково и равно φ0 n,p = U/2 .

При этих условиях знаменатель в уравнении 4.11 будет иметь значение .

Следовательно, для скорости генерации имеем:

Величина рекомбинационного тока Jрек после интегрирования по ширине области пространственного заряда W имеет вид:

(4.12)

Полный ток диода при прямом смещении будет складываться из диффузионной и рекомбинационной компонент:

(4.13)

Из (4.13) следует, что прямой ток диода можно аппроксимировать экспоненциальной зависимостью типа J ∼ exp(βU/n), в случае значения коэффициента n = 1 ток будет диффузионным, при n = 2 — рекомбинационным. На рисунке 4.6 показана зависимость тока диода от напряжения при прямом смещении в логарифмических координатах.

Из приведенных экспериментальных данных для диода следует, что тангенс угла наклона dUпр/d(ln J) равен 0,028 В, что с высокой степенью точности соответствует значению kT/q, равному 0,026 В при комнатной температуре.

Рис. 4.6. Зависимость тока диода от напряжения при прямом смещении [2, 23]

4.3.3. Влияние объемного сопротивления базы диода на прямые характеристики

База диода на основе p-n перехода обычно легирована существенно меньше, чем эмиттер. В этом случае омическое сопротивление квазинейтральных областей диода будет определяться сопротивлением базы rб, его величина рассчитывается по классической формуле: rб = ρl/S, где ρ — удельное сопротивление, l — длина базы, S — площадь поперечного сечения диода.

В типичных случаях при ρ = 1 Ом·см, l = 10 -1 см, S = 10 -2 см 2 , rб = 10 Ом.

При этом падение напряжения Uб на квазинейтральном объеме базы при протекании тока J будет равно:

(4.14)

Напряжение, приложенное к ОПЗ p-n перехода, в этом случае уменьшится на величину Vб. С учетом (4.14) вольт-амперная характеристика диода будет иметь вид:

(4.15)

Из уравнения (4.15) следует, что по мере роста прямого тока вольт-амперная характеристика p-n перехода будет вырождаться, то есть ток будет расти не экспоненциально, а более медленно, и в предельном случае на ВАХ появится омический участок.

Определим критерий вырождения, как состояние диода, при котором дифференциальное сопротивление диода станет равно либо меньше омического сопротивления базы диода:

Читайте так же:
Магнитное реле с тепловым выключателем

Следовательно, величина прямого тока, при котором наступает вырождение вольт-амперной характеристики, будет равна: Iвыр = φT/rб.

Для параметров диода rб = 10 Ом; φТ = 0,025 В ток вырождения будет равен: Iвыр = 2,5 мA.

На рисунке 4.7 показана эквивалентная схема диода, где объемное сопротивление базы диода представлено в виде резистора, последовательно соединенного с идеальным диодом.

Рис. 4.7. Рисунки, иллюстрирующие влияние сопротивления базы на вольт-амперные характеристики диода при прямом смещении [17, 23, 26]:
а) эквивалентная схема диода; б) ВАХ в линейных координатах; в) ВАХ в логарифмических координатах; г) ВАХ диода 2Д925Б при различных температурах

Пунктирная и сплошная линии, описывающие вольт-амперную характеристику, как в линейных, так и полулогарифмических координатах, сдвинуты друг относительно друга по оси напряжений на величину rб·I. Для диода 2Д925Б приведены его характеристики при различных температурах, при этом отчетливо виден линейный участок на ВАХ. Таким образом, у реальных диодов омический участок на ВАХ составляет основную часть характеристики.

4.3.4. Влияние температуры на характеристики диодов

Как уже отмечалось, при прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей (рис. 4.8). Зависимость тока от напряжения определяется соотношением: .

Для несимметричного p-n + перехода NA > pn0. Обратный ток в этом случае обусловлен дрейфовой электронной компонентой , поскольку .

Обратный ток диода в этом случае будет .

Вблизи комнатной температуры Тк при ее небольших отклонениях можно записать: , тогда температурная зависимость тока преобразуется к следующему виду:

(4.16)

Величина коэффициента α для различных полупроводников будет следующей: для германия αGe = 0,09 град -1 до T = 70 0 , для кремния αSi = 0,13 град -1 до Т = 120 0 .

В практических случаях используют понятие температуры удвоения обратного тока диода. Соотношение (4.16) преобразуется к следующей форме, при этом

(4.17)

где T * = ln(2)/a — температура удвоения тока, величина этой температуры будет равна: T * = 10; 8; 7; 5, при значениях α = 0,07; 0,03; 0,1; 0,13.

Из соотношения (4.17) и значения температуры удвоения тока T * = 10 следует простое правило: обратный ток диода удваивается при увеличении температуры на каждые 10 0 С.

ВАХ для шотки

Одним из наиболее распространенных диодов на сегодняшний день является шоттки. Этот полупроводник был назван в честь физика из Германии Вальтера Шоттки. Для шоттки вольт-амперная характеристика будет иметь следующий вид.

Как видим, для шоттки характерно малое падение напряжения в ситуации прямого подключения. Сам график носит явный ассиметричный характер. В зоне прямых смещений наблюдается экспоненциальное увеличение тока и напряжения. При обратном и прямом смещении для данного элемента ток в барьере обусловлен электронами. В результате этого такие элементы характеризуется быстрым действием, поскольку у нет диффузных и рекомбинационных процессов. При этом несимметричность ВАХ будет типичной для структур барьерного типа. Здесь зависимость тока от напряжения определена изменением количества носителей, которые берут участие в зарядопереносных процессах.

Читайте так же:
Можно ли спаять провода теплого пола

ВАХ выпрямительных диодов (Ge, Si)

Вольт-амперные характеристики диодов представляют собой графики зависимостей прямых и обратных токов (Y) и напряжений (X) при различных температурах.

При подаче обратного напряжения, превышающего пороговое значение, величина обратного тока возрастает и происходит пробой p-n слоя. Стоит обратить внимание и на порядки чисел по осям. Величины обратного тока на порядок меньше прямого. Значения прямого напряжения на порядок меньше обратного. По достижении порогового значения прямого напряжения прямой ток начинает увеличиваться лавинообразно.

Разница между диодами в том, что обратный ток кремниевых диодов меньше, чем у германиевых. Поэтому, за счет большего тока, у Ge диодов пробой носит тепловой характер, у Si — преобладает электрический пробой. Мощность, рассеиваемая при одинаковых токах у германиевых диодов меньше.

2020 Помегерим! — электрика и электроэнергетика

Коэффициент выпрямления

Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры.

Он отражает качество выпрямителя.

Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

Недостатки реального полупроводникового диода

На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении. Такое напряжение называется напряжение пробоя . Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.

При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения Vϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов Vϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода состоит из прямой и обратной ветви. Расположены они в I и в III квадрантах, так как направление тока и напряжения через диод всегда совпадают. По вольт-амперной характеристике можно определить некоторые параметры, а также наглядно увидеть, на что влияют характеристики прибора.

Напряжение порога проводимости

Если к диоду приложить прямое напряжение и начать его увеличивать, то в первый момент ничего не произойдет – ток расти не будет. Но при определенном значении диод откроется, и ток будет увеличиваться в соответствии с напряжением. Это напряжение называется напряжением порога проводимости и на ВАХ отмечено, как Uпорога. Оно зависит от материала, из которого изготовлен диод. Для самых распространенных полупроводников этот параметр составляет:

  • кремний – 0,6-0,8 В;
  • германий – 0,2-0,3 В;
  • арсенид галлия – 1,5 В.
Читайте так же:
Ток утечки для теплого пола

Свойство германиевых полупроводниковых приборов открываться при малом напряжении используется при работе в низковольтных схемах и в других ситуациях.

Максимальный ток через диод при прямом включении

После того, как диод открылся, его ток растет вместе с увеличением прямого напряжения. Для идеального диода этот график уходит в бесконечность. На практике этот параметр ограничен способностью полупроводникового прибора рассеивать тепло. При достижении определенного предела диод перегреется и выйдет из строя. Чтобы этого избежать, производители указывают наибольший допустимый ток (на ВАХ – Imax). Его можно приблизительно определить по размеру диода и его корпусу. В порядке убывания:

  • наибольший ток держат приборы в металлической оболочке;
  • на среднюю мощность рассчитаны пластиковые корпуса;
  • диоды в стеклянных оболочках используются в слаботочных цепях.

Металлические приборы можно устанавливать на радиаторах – это увеличит мощность рассеяния.

Обратный ток утечки

Если приложить к диоду обратное напряжение, то малочувствительный амперметр ничего не покажет. На самом деле только идеальный диод не пропускает никакого тока. У реального прибора ток будет, но он очень мал, и называется обратным током утечки (на ВАХ – Iобр). Он составляет десятки микроампер или десятые доли миллиампер и намного меньше прямого тока. Определить его можно по справочнику.

Напряжение пробоя

При определенном значении обратного напряжения возникает резкий рост тока, называемый пробоем. Он носит туннельный или лавинный характер и является обратимым. Этот режим используется для стабилизации напряжения (лавинный) или для генерации импульсов (туннельный). При дальнейшем увеличении напряжения пробой становится тепловым. Этот режим необратим и диод выходит из строя.

Паразитическая ёмкость pn-перехода

Уже упоминалось, что p-n переход обладает электрической ёмкостью. И если в варикапах это свойство полезно и используется, то в обычных диодах оно может быть вредным. Хотя ёмкость составляет единицы или десятки пФ и на постоянном токе или низких частотах незаметна, с повышением частоты её влияние возрастает. Несколько пикофарад на ВЧ создадут достаточно низкое сопротивление для паразитных утечек сигнала, сложатся с существующей ёмкостью и изменят параметры цепи, а совместно с индуктивностью вывода или печатного проводника образуют контур с паразитным резонансом. Поэтому при производстве высокочастотных приборов принимают меры для снижения ёмкости перехода.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

При прямом смещении туннельная проводимость наступает в диоде из-за их сильного легирования. Ток в диоде достиг своего максимального значения IP при подаче на него напряжения Vp. При дальнейшем увеличении напряжения ток через диод уменьшается. И он продолжает уменьшаться, пока не достигнет своего минимального значения. Это минимальное значение тока называется током впадины Iv.

Приведенный выше график показывает, что при переходе из точки А в точку В величина тока уменьшается с ростом напряжения. Итак, от A до B на графике показана область отрицательного сопротивления туннельного диода. Данная область показывает наиболее важное свойство диода. Здесь, в показанной области, туннельный диод отдает энергию, а не поглощает ее.

1. Экспериментальное построение ВАХ диода.

На ВАХ диодов D1N5399GP и GP10M при прямом включении видно различие в напряжении “пятки” у диодов. Это обуславливается различием полупроводников, из которых изготовляются диоды. На ВАХ диодов D1N5399GP и GP10M при обратном включении наблюдается различие в величине теплового тока у диодов. При этом, чем больше напряжение “пятки” тем меньше тепловой ток и наоборот. Это утверждение подтверждается следующим уравнением: Uд=φтln((Iд+Io)/Io). Проанализировав оба графика, можно определить, что диод GP10M – кремниевый, а D1N5399GP – германиевый.

Читайте так же:
Расчет тепловыделения от тока

При прямом включении сопротивление постоянному току определяется по формуле Rпр= Uд/Iд. Так как φт

27.2мВ, то сопротивление будет расти с уменьшением прикладываемого к диоду напряжения (диод будет приближаться к закрытому состоянию). У разных диодов при одинаковом приложенном напряжении сопротивление постоянному току будет больше у того, у кого меньше значение теплового тока.

При прямом включении сопротивление переменному току определяется по формуле rпр=dU/dI= φт/ (Iд+Io). Следовательно, сопротивление растёт с уменьшением протекающего через диод тока, а у разных диодов при одинаковом протекающем токе сопротивление переменному току будет больше у того, у кого меньше значение теплового тока.

Сопротивление постоянному току при обратном включении определяется по закону Ома, и, следовательно, должно быть велико, так как при больших напряжениях ток практически не меняется и остаётся равным тепловому току. Поэтому при одинаковом приложенном напряжении, сопротивление будет больше у того диода, у которого меньше значение теплового тока.

Сопротивление переменному току при обратном включении определяется по формуле: rпр=dU/dI= φт/ (Iд+Io). Так как φт

Io, сопротивление переменному току будет больше, чем постоянному. А при прочих равных условиях оно будет больше у диода с меньшим тепловым током.

2. Экспериментальное построение обратной ветви ВАХ стабилитрона.

Стабилитрон, в отличие от диода работает в режиме обратного пробоя, и, следовательно, обладает ёще одной характеристикой – напряжением стабилизации

При напряжениях, меньших напряжения стабилизации, режим работы стабилитрона похож на режим работы диода при обратном включении. Поэтому при таких напряжениях сопротивление постоянному и переменному току довольно велики, причём сопротивление переменному току больше, чем постоянному.

В режиме обратного пробоя, при небольших изменениях напряжения, ток, протекающий через стабилитрон, резко увеличивается. Поэтому сопротивление постоянному и переменному току в этом режиме гораздо меньше, причём сопротивление переменному току меньше, чем постоянному.

3. Параметрический стабилизатор напряжения.

Параметрический стабилизатор напряжения используется для превращения пульсирующего напряжения в постоянное, а также для получения из постоянного напряжения “высокого” уровня постоянного напряжения более “низкого” уровня при изменяющейся нагрузке.

По экспериментальным данным видно, что при изменяющейся нагрузке, напряжение меняется незначительно, хотя и меняется текущий через нагрузку ток. При увеличении тока через нагрузку напряжение на нагрузке уменьшается.

4. Диодные ограничители.

Диодные ограничители служат для преобразования формы переменного сигнала. Данная схема ограничителя выдаёт выходной сигнал, по которому можно определить напряжение стабилизации и напряжение “пятки”.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector