Pajėgumai r-p perėjimas.Įjungus r-p perėjimas priešinga kryptimi, taip pat esant mažoms tiesioginėms įtampoms regione r-p perėjimas yra dvigubas elektrinis sluoksnis: in r plotas – neigiamas, in n sritys – teigiamos.

Nekompensuoto krūvio kaupimasis šiame sluoksnyje lemia talpos atsiradimą r-p perėjimas, kuris vadinamas barjerine talpa. Jis charakterizuoja sukaupto krūvio kitimą, kai kinta išorinė įtampa pagal 1.12 pav. C b =dQ/dU .

Ryžiai. 1.12. Užtvaros talpos priklausomybė

nuo atvirkštinės įtampos.

Užtvaros talpa priklauso nuo geometrinių matmenų r-p perėjimas. Su padidėjimu U arr. plotis r-p perėjimas didėja, o talpa mažėja.

Įjungus diodą į priekį, barjerinė talpa praktiškai išnyksta, o iš emiterio perduodami mažumos nešikliai kaupiasi pagrindiniame diodo sluoksnyje. Šis krūvio kaupimasis taip pat sukuria talpos efektą, kuris vadinamas difuzine talpa. S d paprastai viršija C b.

Nustatomas difuzijos pajėgumas C d = dQ d / dU.

Šios talpos turi įtakos, kai diodai veikia aukštais dažniais. Pajėgumai r-p perėjimai įtraukiami į lygiavertę grandinę (1.13 pav.).

Ryžiai. 1.13. Diodų ekvivalentinės grandinės, atsižvelgiant į talpas:

a – barjero pajėgumas; b – difuzijos pajėgumas

Pereinamieji procesai dioduose. Kai diodai veikia su aukšto dažnio signalais (1-10 MHz), perėjimo iš nelaidžios būsenos į laidžiąją būseną ir atvirkščiai procesas neįvyksta akimirksniu dėl perėjimo metu esančios talpos, dėl kaupimosi. krūvių diodo bazėje.

1.14 paveiksle pateiktos srovių per diodą ir apkrovos kitimo stačiakampių maitinimo įtampos impulsų metu laiko diagramos. Diodų grandinės talpos iškraipo impulsų priekinius ir galinius kraštus, todėl atsiranda rezorbcijos laikas t p.

Renkantis diodą konkrečiai grandinei, reikia atsižvelgti į jo dažnines savybes ir veikimą.

Ryžiai. 1.14. Laikini procesai esant

perjungimo diodas:

t f1- perėjimo priekinio krašto trukmė;

t f2- galinio krašto trukmė;

t p- rezorbcijos laikas.

Suskirstymas r-p perėjimas. Diodo atvirkštinė įtampa negali padidėti iki jokios vertės. Esant tam tikrai atvirkštinei įtampai, būdingai kiekvienam diodo tipui, staigiai padidėja atvirkštinė srovė. Šis efektas vadinamas perėjimo suskaidymu. Yra keli gedimų tipai (1.15 pav.):

1- lavinos gedimas, kai didėja atvirkštinė srovė dėl lavinų dauginimosi ne daugumos nešėjų;

Ryžiai. 1.15. Srovės ir įtampos charakteristikos įvairių tipų gedimams

2 tunelių gedimas, įveikiant potencialų barjerą ir blokuojantį sluoksnį atsiranda dėl tunelio efekto.

Lavinų ir tunelių gedimų metu atvirkštinė srovė didėja esant pastoviai atvirkštinei įtampai.

Tai yra elektros gedimai. Jie yra grįžtami. Po pašalinimo U arr. diodas atkuria savo savybes.

3- terminis skilimas, atsiranda, kai išsiskiria šilumos kiekis r-p pereinant, daugiau šilumos diodo paviršius atiduoda į aplinką. Be to, didėjant temperatūrai r-p pereinant, mažumos nešėjų koncentracija didėja, o tai lemia dar didesnį atvirkštinės srovės padidėjimą, o tai savo ruožtu padidina temperatūrą ir kt. Kadangi diodams, pagamintiems germanio pagrindu, aš arr. didesnė nei silicio pagrindo diodų, tada pirmiesiems šiluminio gedimo tikimybė yra didesnė nei antrųjų. Todėl maksimali darbinė temperatūra silicio diodams yra aukštesnė (150 o...200 o C) nei germanio diodams (75 o...90 o C).

Šiuo atveju gedimas r-p perėjimas sunaikinamas.

Testo klausimai.

1. Kas yra puslaidininkinis diodas? Idealaus ir tikrojo diodo srovės įtampos charakteristikos?

2. Iš kokių medžiagų gaminami puslaidininkiniai diodai? Kaip puslaidininkiniame substrate sukurti vienokio ar kitokio laidumo sritis?

3. Koks yra savaiminis elektrinis laukas kristale ties riba p-n- perėjimas? Kaip jis pasikeičia, kai įjungiama išorinė įtampa?

4. Kas paaiškina vienpusio laidumo poveikį p-n- perėjimas puslaidininkyje?

5. Srovės-įtampos charakteristikos p-n-germanio ir silicio diodų perėjimai pasikeitus išorinei temperatūrai?

6. Kaip nustatoma diodo diferencinė varža?

7. Kaip konstruojamos diodo su apkrovos linija srovės-įtampos charakteristikos?

8. Paaiškinkite diodo barjerinių ir difuzinių talpų susidarymo mechanizmą? Kaip jie veikia diodo veikimą kintamosios srovės grandinėse?

2 paskaita. Specialūs tipai

2 paskaita. Puslaidininkiniai diodai

Elektronų skylių perėjimas ir jo savybės. Elektronų ir skylių sandūra yra plonas sluoksnis tarp dviejų puslaidininkinio kristalo dalių, kurio viena dalis turi elektroninį laidumą, o kita – skylę. Elektronų skylės perėjimo kūrimo technologinis procesas gali būti įvairus: lydinys (lydiniai diodai), vienos medžiagos difuzija į kitą (difuzijos diodai), epitaksija – vieno kristalo orientuotas augimas kito paviršiuje (epitaksiniai diodai) ir kt. Pagal konstrukciją elektronų skylės perėjimai gali būti simetriški ir asimetriški, aštrūs ir lygūs, plokštūs ir taškiniai ir tt Tačiau visų tipų perėjimams pagrindinė savybė yra asimetrinis elektros laidumas, kai kristalas srovę teka viena kryptimi, tačiau neperduoda jo kitame.

Elektronų skylės perėjimo struktūra parodyta Fig. 2.1 a. Viena šios jungties dalis yra legiruota donorine priemaiša ir turi elektroninį laidumą (N - sritis). Kita dalis, legiruota akceptoriaus priemaiša, turi skylės laidumą (P - sritis). Elektronų koncentracija vienoje dalyje ir skylės koncentracija kitoje labai skiriasi. Be to, abiejose dalyse yra nedidelė mažumos vežėjų koncentracija.

N srities elektronai linkę prasiskverbti į P sritį, kur elektronų koncentracija yra daug mažesnė. Panašiai skylės iš P srities pereina į N sritį. Dėl priešingų priešingų krūvių judėjimo atsiranda vadinamoji difuzinė srovė. Elektronai ir skylės, perėję sąsają, palieka priešingus krūvius, kurie neleidžia toliau praeiti difuzinei srovei. Dėl to ties riba nusistovi dinaminė pusiausvyra ir uždarius N ir P sritis, grandinėje neteka srovė. Erdvės krūvio tankio pasiskirstymas pereinant parodytas fig. 2.1 b.

Tokiu atveju kristalo viduje sąsajoje atsiranda vidinis elektrinis laukas E, kurio kryptis parodyta Fig. 2.1. Didžiausias šio lauko stiprumas yra sąsajoje, kur staigiai pasikeičia erdvės krūvio ženklas. Tam tikru atstumu nuo sąsajos nėra erdvės krūvio, o puslaidininkis yra neutralus.

Potencialo barjero aukštis pn sandūroje nustatomas pagal kontaktinio potencialo skirtumą tarp N ir P sričių. Kontaktinio potencialo skirtumas savo ruožtu priklauso nuo priemaišų koncentracijos šiose srityse:

čia  T =kT/q – šiluminis potencialas, N n ir P p – elektronų ir skylių koncentracijos N ir P srityse, n i – nešiklio koncentracija neleguotame puslaidininkyje.

Kontaktinio potencialo skirtumas germaniui yra 0,6... 0,7 V, o siliciui - 0,9... 1,2 V. Potencialo barjero aukštis gali būti keičiamas įjungus išorinę įtampą p sandūroje. Jei išorinė įtampa sukuria lauką pn sandūroje, kuris sutampa su vidine, tada potencialo barjero aukštis didėja esant atvirkštiniam taikomosios įtampos poliškumui, potencialo barjero aukštis mažėja. Jei taikoma įtampa

Be difuzinės srovės, tiesioginėje srovėje yra priešinga kryptimi tekanti laidumo srovė, todėl bendra srovė, nukreipiant p-n sandūrą į priekį, bus lygi difuzinės srovės (2.2) ir laidumo srovės skirtumui:

(2.3) lygtis vadinama Eberso-Moll lygtimi, o atitinkama p-n sandūros srovės-įtampos charakteristika parodyta fig. 2.3. Kadangi esant  t =ZOOK šiluminis potencialas yra T=25mV, tai jau esant U = 0,1 V galime manyti, kad

Diferencinę p-n sandūros varžą galima nustatyti naudojant (2.3) formulę:

iš kur mes jo gauname

Taigi, pavyzdžiui, esant srovei I = 1A ir  t = 25 mV, sandūros diferencinė varža yra 25 m0m.

Ribinė įtampos vertė p-n sandūroje su priekiniu poslinkiu neviršija kontaktinio potencialo skirtumo  k Atbulinę įtampą riboja p-n sandūros gedimas. Pn sandūros gedimas įvyksta dėl mažumos nešėjų dauginimosi lavinomis ir vadinamas lavinų gedimu. P-n sandūros griūties metu srovė per sandūrą be apribojimų didėja esant pastoviai įtampai, kaip parodyta Fig. 2.3.

Puslaidininkinė p-n sandūra turi talpą, kuri paprastai apibrėžiama kaip sankryžos krūvio prieaugio ir įtampos kritimo joje prieaugio santykis, t.y. C=dq/du. Jungties talpa priklauso nuo išorinės įtampos vertės ir poliškumo. Esant atvirkštinei įtampai sankryžoje, ši talpa vadinama barjeru ir nustatoma pagal formulę

čia  k yra kontaktinio potencialo skirtumas, U yra atvirkštinė įtampa sandūroje, C bar (0) yra barjerinės talpos vertė, kai U = 0, kuri priklauso nuo p-n sandūros ploto ir puslaidininkinis kristalas. Užtvaros talpos priklausomybė nuo naudojamos įtampos parodyta fig. 2.4.

Teoriškai barjerinė talpa egzistuoja esant tiesioginei įtampai p-n sandūroje, tačiau ji yra šuntuojama dėl mažos diferencinės varžos r skirtumo.

Kai p-n sandūra yra pakreipta į priekį, daug didesnę įtaką turi difuzijos talpa, kuri priklauso nuo tiesioginės srovės I vertės ir mažumos nešėjų gyvavimo trukmės  p. Ši talpa nėra susijusi su poslinkio srove, bet suteikia tokį patį fazės poslinkį tarp įtampos ir srovės, kaip ir įprasta talpa. Difuzijos talpos vertę galima gauti iš formulės

Bendra sankryžos talpa esant tiesioginiam poslinkiui nustatoma pagal barjero ir difuzijos talpų sumą

Kai jungtis yra atvirkštinė, nėra difuzijos talpos, o bendrą talpą sudaro tik barjerinė talpa.

Puslaidininkinis diodas vadinamas įrenginiu, kuris turi du išėjimus ir vieną (arba kelias) p-n sandūras. Visus puslaidininkinius diodus galima suskirstyti į dvi grupes: lygintuvus ir specialiuosius. Lygintuvų diodai, kaip rodo pavadinimas, yra skirti ištaisyti kintamąją srovę. Priklausomai nuo kintamosios įtampos dažnio ir formos, jie skirstomi į aukšto dažnio, žemo dažnio ir impulsinius. Specialūs puslaidininkinių diodų tipai išnaudoja skirtingas p-n sandūrų savybes; gedimo reiškinys, barjero talpa, neigiamos varžos sričių buvimas ir kt.

Struktūriškai lygintuvų diodai skirstomi į plokštuminius ir taškinius, o pagal gamybos technologiją į lydinius, difuzinius ir epitaksinius. Dėl didelio pn sandūros ploto plokštieji diodai naudojami didelėms srovėms ištaisyti. Taškiniai diodai turi mažą pereinamąjį plotą ir atitinkamai yra skirti mažoms srovėms ištaisyti. Norėdami padidinti lavinos gedimo įtampą, naudojami lygintuvai, sudaryti iš serijos nuosekliai sujungtų diodų.

Didelės galios lygintuvų diodai vadinami galios diodais. Tokių diodų medžiaga dažniausiai yra silicis arba galio arsenidas. Germanis praktiškai nenaudojamas dėl stiprios atvirkštinės srovės priklausomybės nuo temperatūros. Silicio lydinio diodai naudojami kintamajai srovei ištaisyti iki 5 kHz dažniu. Silicio difuzijos diodai gali veikti aukštesniais dažniais, iki 100 kHz. Silicio epitaksiniai diodai su metaliniu pagrindu (su Schottky barjeru) gali būti naudojami iki 500 kHz dažniais. Galio arsenido diodai gali veikti dažnių diapazone iki kelių MHz.

Esant didelei srovei per pn sandūrą, didelė įtampa nukrenta didžiojoje puslaidininkio dalyje, ir to negalima nepaisyti. Atsižvelgiant į (2.4) išraišką, lygintuvo diodo srovės įtampos charakteristika įgauna formą

kur R yra puslaidininkinio kristalo tūrinė varža, kuri vadinama serijine varža.

Įprastas puslaidininkinio diodo grafinis žymėjimas parodytas Fig. 2.5 a, o jo struktūra pav. 2,5 b. Diodo elektrodas, prijungtas prie srities P, vadinamas anodu (panašiai kaip elektrinis vakuuminis diodas), o elektrodas, prijungtas prie srities N, vadinamas katodu. Diodo statinė srovės-įtampos charakteristika parodyta fig. 2,5 colio

Galios diodams paprastai būdingas statinių ir dinaminių parametrų rinkinys. Statiniai diodo parametrai apima:

Įtampos kritimas U np per diodą esant tam tikrai tiesioginės srovės vertei;

Atbulinė srovė I aps. esant tam tikrai atvirkštinės įtampos vertei;

Vidutinė tiesioginės srovės vertė I np.cp ;

Impulsinė atvirkštinė įtampa U rev.i.

Diodo dinaminiai parametrai apima jo laiko arba dažnio charakteristikas. Šie parametrai apima:

Atkūrimo laiko treversinė įtampa;

Priekinės srovės kilimo laikas I var;

Ribinis dažnis nesumažinant diodų režimų f m ax .

Statinius parametrus galima nustatyti naudojant diodo srovės įtampos charakteristiką, kuri parodyta fig. 2,5 colio Tipinės galios diodų statinių parametrų reikšmės pateiktos lentelėje. 2.1.

T
2.1 lentelė

Diodo atvirkštinio atkūrimo laikas t oc yra pagrindinis lygintuvų diodų parametras, apibūdinantis jų inercines savybes. Jis nustatomas, kada diodas persijungia iš nurodytos tiesioginės srovės I pr į tam tikrą atvirkštinę įtampą U arr. Tokio perjungimo grafikai parodyti fig. 2,6 a. Bandymo diagrama, parodyta fig. 2.6 b, yra pusės bangos lygintuvas, veikiantis varžine apkrova R n ir maitinamas iš stačiakampio įtampos šaltinio.

Įtampa grandinės įėjime momentu t=0 šokinėja iki teigiamos reikšmės U m . Dėl difuzijos proceso inercijos srovė diode neatsiranda akimirksniu, o didėja laikui bėgant t ext. Kartu su diodo srovės padidėjimu mažėja diodo įtampa, kuri po t nar tampa lygi U pr Laike t 1 grandinėje nustatomas stacionarus režimas, kuriame diodo srovė i = I n.  U m /R n.

Tokia padėtis išlieka iki laiko t 2, kai maitinimo įtampos poliškumas pasikeičia. Tačiau prie pn sandūros ribos susikaupę krūviai kurį laiką palaiko diodą atviroje būsenoje, tačiau diodo srovės kryptis pasikeičia. Iš esmės krūvio rezorbcija vyksta ties p-n sandūros riba (t.y. lygiaverčio pajėgumo iškrova). Po rezorbcijos laiko intervalo t lenktynių prasideda diodo išjungimo procesas, t.y. jo fiksavimo savybių atkūrimo procesas.

Iki laiko t 3 diodo įtampa tampa lygi nuliui, o vėliau įgyja priešingą reikšmę. Diodo blokavimo savybių atkūrimo procesas tęsiasi iki laiko t 4, po kurio diodas užrakinamas. Iki to laiko diodo srovė tampa lygi nuliui, o įtampa pasiekia reikšmę -U m, - Taigi laiko tres galima skaičiuoti nuo perėjimo Ud iki nulio, kol diodo srovė pasiekia nulinę reikšmę I d = 0.

Atsižvelgus į lygintuvo diodo įjungimo ir išjungimo procesus, matyti, kad jis nėra idealus vožtuvas ir tam tikromis sąlygomis veikia priešinga kryptimi. Mažumos nešėjų rezorbcijos laikas pn sandūroje gali būti nustatytas pagal formulę

čia  p yra mažumos vežėjų gyvavimo laikas.

Diodo atvirkštinės įtampos atkūrimo laikas gali būti įvertintas naudojant apytikslę išraišką

Reikėtų pažymėti, kad kai Rn = 0 (tai atitinka diodo veikimą esant talpinei apkrovai), atvirkštinė srovė per diodą jo išjungimo metu gali būti daug kartų didesnė nei apkrovos srovė stacionariu režimu.

Išnagrinėjus grafikus pav. 2.6 a iš to išplaukia, kad diodo galios praradimas smarkiai padidėja jį įjungus ir ypač išjungus. Dėl to diodo nuostoliai didėja didėjant ištaisytos įtampos dažniui. Kai diodas veikia žemu dažniu ir harmonine maitinimo įtampos forma, nėra didelės amplitudės srovės impulsų, o diodo nuostoliai smarkiai sumažėja.

Keičiantis diodo korpuso temperatūrai, keičiasi ir jo parametrai. Į šią priklausomybę reikia atsižvelgti kuriant įrangą. Diodo tiesioginė įtampa ir jo atvirkštinė srovė labiausiai priklauso nuo temperatūros. Diodo įtampos temperatūros koeficientas (TCV) turi neigiamą reikšmę, nes kylant temperatūrai diodo įtampa mažėja. Apytiksliai galime daryti prielaidą, kad TKN U pr = -2mV/K.

Diodo atvirkštinė srovė dar labiau priklauso nuo korpuso temperatūros ir turi teigiamą koeficientą. Taigi, kylant temperatūrai kas 10°C, germanio diodų atvirkštinė srovė padidėja 2 kartus, o silicio diodų – 2,5 karto.

Lygintuvų diodų nuostolius galima apskaičiuoti pagal formulę

kur P pr - nuostoliai diode srovės tiesioginės krypties metu, P arr - nuostoliai diode veikiant atvirkštinei srovei, P rec - diodo nuostoliai atbulinės eigos stadijoje.

Apytikslę išankstinių nuostolių vertę galima apskaičiuoti naudojant formulę

kur I pr.sr ir U pr.sr yra vidutinės tiesioginės srovės ir tiesioginės diodo įtampos vertės. Panašiai galite apskaičiuoti galios nuostolius atvirkštinės srovės metu:

Ir galiausiai nuostoliai atvirkštinio atsigavimo etape nustatomi pagal formulę

čia f – kintamos įtampos dažnis.

Apskaičiavus diodo galios nuostolius, pagal formulę reikia nustatyti diodo korpuso temperatūrą

čia T p.max = 150 0 C yra didžiausia leistina diodo kristalo temperatūra, R p.c. - jungties-diodo korpuso šiluminė varža (nurodyta diodo atskaitos duomenyse), Tk.max - didžiausia leistina diodo korpuso temperatūra.

Schottky barjeriniai diodai. Norint ištaisyti žemą aukšto dažnio įtampą, plačiai naudojami Schottky barjeriniai diodai (SBD). Šie diodai naudoja metalo ir puslaidininkio kontaktą, o ne pn jungtį. Sąlyčio taške atsiranda puslaidininkių sluoksniai, išsekę krūvininkų, kurie vadinami vartų sluoksniais. Diodai su Schottky barjeru skiriasi nuo diodų su pn jungtimi šiais parametrais:

Mažesnis tiesioginės įtampos kritimas;

Turi mažesnę atvirkštinę įtampą;

Didesnė nuotėkio srovė;

Beveik nėra atvirkštinio atkūrimo mokesčio.

Dėl dviejų pagrindinių charakteristikų šie diodai yra būtini žemos įtampos aukšto dažnio lygintuvų konstrukcijoje: mažas tiesioginės įtampos kritimas ir mažas atvirkštinės įtampos atkūrimo laikas. Be to, mažumos nešėjų, kuriems reikia atvirkštinio atkūrimo laiko, nebuvimas reiškia, kad fiziškai nėra paties diodo perjungimo nuostolių.

Schottky barjeriniuose dioduose tiesioginis įtampos kritimas yra atvirkštinės įtampos funkcija. Šiuolaikinių Schottky diodų maksimali įtampa yra apie 150 V. Esant tokiai įtampai, DS tiesioginė įtampa yra 0,2...0,3 V mažesnė už diodų, turinčių p-n sandūrą, tiesioginę įtampą.

Schottky diodo privalumai ypač pastebimi ištaisant žemą įtampą. Pavyzdžiui, 45 voltų Šotkio diodo tiesioginė įtampa yra 0,4...0,6 V, o esant tokiai pat srovei diodo su p-n sandūra įtampa krenta 0,5...1,0 V. Kai atvirkštinė įtampa nukrenta iki 15V tiesioginė įtampa sumažėja iki 0,3...0,4V. Vidutiniškai naudojant Schottky diodus lygintuve, nuostolius galima sumažinti maždaug 10...15%. Maksimalus DS veikimo dažnis viršija 200 kHz esant iki 30 A srovei.

3 paskaita. Specialieji puslaidininkinių diodų tipai

Puslaidininkinių diodų tipai. Specialiems puslaidininkiniams diodams priskiriami įrenginiai, kuriuose naudojamos ypatingos p-n sandūrų savybės: valdoma puslaidininkių talpa – varikapai ir varaktoriai; Zener ir lavinche surf - Zener diodai; tunelio efektas - tuneliniai ir atvirkštiniai diodai; fotoelektrinis efektas – fotodiodai; krūvininkų fotonų rekombinacija – šviesos diodai; daugiasluoksniai diodai – dinistoriai. Be to, kai kurių tipų įrenginiai su trimis gnybtais, pavyzdžiui, tiristoriai ir dvibaziai diodai, priskiriami diodams.

Varicaps yra puslaidininkiniai diodai, kurie naudoja barjerinę p-n sandūros talpą. Ši talpa priklauso nuo diodui taikomos atvirkštinės įtampos ir didėjant mažėja. Varikapo barjerinės talpos kokybės koeficientas gali būti gana didelis, nes jį šuntuoja gana didelė diodo varža esant atvirkštiniam poslinkiui.

Scheminis varikapo vaizdas parodytas Fig. 3.1 a, o jo talpos-įtampos charakteristika parodyta fig. 3.1 b. Varicap simbolį sudaro penki elementai. Pirmasis elementas nurodo medžiagą, iš kurios pagamintas varikapas (K – silicis). Antrasis elementas rodo, kad diodas priklauso varicap poklasiui (B - varicap). Trečias elementas yra skaičius, nurodantis varikapo paskirtį (1 – varikapų derinimui, 2 – varikapų dauginimui). Ketvirtasis elementas yra kūrimo serijos numeris. Ir galiausiai penktasis elementas atitinka atranką pagal parametrus. Taigi, pavyzdžiui, pav. 3.1 b rodo KV117A varicap charakteristikas.

Teorinę varikapo talpos reikšmę galima nustatyti pagal formulę

kur C 0 yra pradinė varikapo talpa, kai U in = 0, U in yra varikapo įtampa,  k yra kontaktinio potencialo skirtumas.

Pagrindiniai varikapo parametrai yra: jo pradinė talpa C o, kokybės koeficientas Q c, talpos persidengimo koeficientas K c. Varikapo kokybės koeficientas nustatomas pagal varikapo Q reaktyviosios galios ir galios P ​​santykį:

*Toliau visi diodai (t. y. dviejų elektrodų įrenginiai su n-p jungtimi) pažymėti VD arba D, kaip parodyta Fig. 3.1.

Talpos persidengimo koeficientas apibrėžiamas kaip didžiausios varikapo talpos C max ir mažiausios talpos C min santykis.

Be to, jie dažnai nurodo variacap talpos temperatūros koeficientą  c = C/T ir ribinį dažnį fpre, kuriam esant varikapo kokybės koeficientas sumažinamas iki Q = 1.

Varicap kokybės koeficientas didėja didėjant atvirkštinei įtampai ir mažėjant veikimo dažniui. Varicap KV117A kokybės koeficiento priklausomybės nuo dažnio ir atvirkštinės įtampos grafikai parodyti pav. 3.2.

Lygiavertė varikapo grandinė parodyta Fig. 3.3, kur C b – barjero talpa, R w – sandūros ir ją manevruojančių nuotėkių varža dėl varikapo konstrukcijos, R p – puslaidininkinės medžiagos, p-n srities ir kontakto varža. Varicap varža pateikiama pagal

Varikapo kokybės koeficientą žemo dažnio srityje pagal (3.4) galima nustatyti pagal formulę

iš to išplaukia, kad jis didėja didėjant dažniui.

Esant dideliems dažniams, jei tenkinama sąlyga C b R w >>1, varža R n gali būti nepaisoma ir tada varikapo kokybės koeficientas priklauso nuo dažnio pagal formulę

tai jis mažėja didėjant dažniui.

Iš to išplaukia, kad varikapo kokybės koeficientas turi maksimumą, kuris atitinka dažnį

šiuo atveju didžiausią kokybės koeficientą galima rasti naudojant formulę

Fig. 3.3 b paveiksle parodyta kokybės koeficiento Q priklausomybė nuo dažnio varikapams iš silicio ir galio arsenido. Iš grafikų matyti, kad galio arsenido varikapams optimalus dažnis yra ~ 1 kHz, o silicio varikapams beveik siekia 1 MHz.

Varikapai naudojami įvairiose elektroninėse grandinėse: moduliatoriuose, derinamose rezonansinėse grandinėse, elektroniniu būdu suderintuose generatoriuose, parametriniuose stiprintuvuose ir osciliatoriuose ir kt. Pav. 3.4 paveiksle parodyta rezonansinės grandinės su elektroniniu derinimu naudojant pastovią įtampą U p derinimo įtampa per papildomą rezistorių R d tiekiama į dviejų sujungimų VD1 ir VD2 vidurį padidinsite derinimo staigumą ir nereikės naudoti skiriamojo kondensatoriaus. Ypač tokioms schemoms pramonė gamina dvigubus KVS111 arba KVS120 tipų varikapus.

Zenerio diodai- Tai puslaidininkiniai diodai, veikiantys lavinų gedimo režimu. Kai puslaidininkinis diodas yra atvirkštinis, p-n sandūroje įvyksta elektrinis griūtis. Be to, esant įvairiems srovės pokyčiams per diodą, jo įtampa kinta labai mažai. Norint apriboti srovę per zenerio diodą, su juo nuosekliai prijungiama varža. Jei gedimo režimu jame sunaudota galia neviršija maksimalios leistinos, tada šiuo režimu zenerio diodas gali veikti neribotą laiką. Fig. 3.5a parodytas zenerio diodų schematiškas vaizdas, o Fig. 3.5 b parodytos jų srovės-įtampos charakteristikos.

Zenerio diodų stabilizavimo įtampa priklauso nuo temperatūros. Fig. 3.56 punktyrinė linija rodo srovės-įtampos charakteristikų judėjimą kylant temperatūrai. Akivaizdu, kad temperatūros padidėjimas padidina lavinos pramušimo įtampą, kai Ust > 5 V, ir sumažina ją Ust< 5 В. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5 В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U cт < 5В - отрицательный. При U cт =6...5B ТКН близок к нулю.

Kartais įtampai stabilizuoti naudojamas tiesioginis įtampos kritimas per diodą. Tokie įtaisai, priešingai nei zenerio diodai, vadinami stabistoriais. P-n sandūros tiesioginio poslinkio srityje jos įtampa yra 0,7...2V ir mažai priklauso nuo srovės. Šiuo atžvilgiu stabistoriai leidžia stabilizuoti tik žemą įtampą (ne daugiau kaip 2 V). Norint apriboti srovę per stabilizatorių, su juo taip pat nuosekliai prijungiama varža. Skirtingai nuo zenerio diodų, kylant temperatūrai, stabilizatoriaus įtampa mažėja, nes diodo tiesioginė įtampa turi neigiamą TKN. Zenerio diodo prijungimo grandinė parodyta fig. 3,6 a, o stabistorius - pav. 3.6 b.

Pirmiau nurodytas zenerio diodų įtampos priklausomybės nuo temperatūros pobūdis yra dėl skirtingų jų gedimų. Plačiose sandūrose, esant lauko stiprumui iki 5*10 4 V/cm, įvyksta lavinų lūžis. Toks gedimas, kai sandūros įtampa > 6V, turi teigiamą temperatūros koeficientą.

Siaurose sankryžose esant dideliam elektrinio lauko stipriui (daugiau nei 1,4 * 10 6 V) pastebimas gedimas, kuris vadinamas Zeneris. Šis gedimas įvyksta esant žemai jungties įtampai (mažiau nei 5 V) ir jam būdingas neigiamas temperatūros koeficientas. Kai įtampa sandūroje yra nuo 5 iki 6 V, abu gedimų tipai egzistuoja vienu metu, todėl temperatūros koeficientas yra artimas nuliui. Temperatūros koeficiento TKH st priklausomybė nuo stabilizavimo įtampos U st parodyta pav. 3.7.

Pagrindiniai zenerio diodų parametrai yra šie:

Stabilizavimo įtampa U st;

Įtampos stabilizavimo temperatūros koeficientas TKN st;

Leidžiama srovė per zenerio diodą I st.add.

Zenerio diodo diferencinė varža r st.

Be to, impulsiniams zenerio diodams normalizuojamas zenerio diodo įjungimo laikas t, o dvipusiams zenerio diodams – stabilizavimo įtampos asimetrija U st = U st1 – U st2.

Zenerio diodo diferencialinė varža yra parametras, apibūdinantis srovės įtampos charakteristikos nuolydį gedimo srityje. Fig. 3.8a paveiksle parodyta tiesinė zenerio diodo charakteristika, kurios pagalba galite nustatyti jo diferencinę varžą ir sukonstruoti lygiavertę grandinę, parodytą fig. 3.8 b.

IR
naudojant pavaizduotą pav. 3,8 b ekvivalentinę grandinę, galite apskaičiuoti paprasčiausią įtampos stabilizatorių, parodytą pav. 3,9 a. Pakeitę zenerio diodą lygiaverte grandine, gauname konstrukcinę grandinę, parodytą Fig. 3.9 b. Pagal šią schemą galite parašyti lygčių sistemą

Išsprendę lygčių sistemą (3.9), gauname įtampą stabilizatoriaus išėjime

Pakeitę I n reikšmę, pagaliau gauname

Iš (3.11) išraiškos matyti, kad stabilizatoriaus išėjimo įtampa priklauso nuo įtampos stabilizatoriaus U in įėjime, apkrovos varžos I n ir srovės ribos R g, taip pat nuo zenerio diodo U st parametrų. ir r g.

Zenerio diodo simbolis apima: puslaidininkinę medžiagą (K - silicis); zenerio diodų poklasio žymėjimas (C raidė); skaičius, rodantis zenerio diodo galią; du skaičiai, atitinkantys stabilizavimo įtampą, ir raidė, nurodanti konstrukciją arba korpuso ypatybes. Pavyzdžiui, KS168A zenerio diodas atitinka mažos galios zenerio diodą (srovė mažesnė nei 0,3 A), kurio stabilizavimo įtampa yra 6,8 V, metaliniame korpuse.

Be įtampos stabilizavimo, zenerio diodai taip pat naudojami įtampos impulsams riboti ir grandinėse, skirtose apsaugoti įvairius elementus nuo įtampos padidėjimo.

Tuneliniai diodai. Tunelio efektas apima srovės praėjimą per pn sandūrą. Tokiu atveju srovė per sandūrą pradeda eiti esant įtampai, kuri yra žymiai mažesnė už kontaktinio potencialo skirtumą. Tunelio efektas pasiekiamas sukuriant labai ploną išsekimo sluoksnį, kuris tuneliniame diode siekia 0,01 mikrono. Jame esant tokiam plonam nuskurdintam sluoksniui, net esant 0,6...0,7 V įtampai lauko stiprumas siekia (5...7)*10 5 V/cm. Šiuo atveju per tokią siaurą p-n sandūrą teka reikšminga srovė.

Ši srovė teka abiem kryptimis, tik į priekį poslinkio srityje srovė pirmiausia didėja, o pasiekusi reikšmę I max, esant įtampai U 1, tada gana smarkiai sumažėja iki I min, esant įtampai U 2. Srovės sumažėjimas atsiranda dėl to, kad didėjant įtampai į priekį, mažėja elektronų, galinčių atlikti tunelio perėjimą, skaičius. Esant įtampai U 2, tokių elektronų skaičius tampa lygus nuliui ir tunelinė srovė išnyksta.

Toliau didėjant įtampai virš U2, tiesioginė srovė yra tokia pati kaip įprasto diodo ir nustatoma difuzijos būdu.

Dėl labai mažo p-n sandūros sluoksnio storio perėjimo laikas per jį yra labai trumpas (iki 10 13 – 10 14 s), todėl tunelinis diodas yra beveik be inercijos įrenginys. Įprastiniuose dioduose elektronai per sandūrą pereina dėl difuzijos, t.y. labai lėtai. Tunelinio diodo srovės įtampos charakteristika parodyta fig. 3.10 a, o jo schema pateikta pav. 3.10 b.

Tunelinio diodo srovės-įtampos charakteristikoje galima išskirti tris pagrindines dalis: pradinė srovės augimo atkarpa nuo taško 0 iki I max, srovės mažėjimo atkarpa nuo I max iki I min ir tolesnio srovės augimo atkarpa nuo taško 0 iki I max. Aš min. Akivaizdu, kad krentančioji atkarpa, kurioje teigiamas įtampos prieaugis U > 0 atitinka neigiamą srovės prieaugį I, turi neigiamą varžą (arba neigiamą laidumą -G).

Tunelinio diodo lygiavertė grandinė pasirinktame darbo taške neigiamos varžos sekcijoje mažam signalui turi tokią formą, kaip parodyta Fig. 3,10 colio Šioje diagramoje C yra bendra diodo talpa minimaliame srovės-įtampos charakteristikos taške, -G yra neigiamas laidumas krintančioje atkarpoje, r n yra nuosekliojo nuostolio varža, L yra laidų induktyvumas.

Generatoriaus grandinė naudojant tunelinį diodą parodyta fig. 3.11 a. Šioje grandinėje tunelinis triodas TD nuosekliai sujungtas su apkrova ir pastovios įtampos šaltiniu E. Kad šioje grandinėje atsirastų svyravimai, turi būti įvykdytos dvi sąlygos. Pirmoji sąlyga yra ta, kad šaltinio E įtampa užtikrina, kad TD veikimo taškas būtų neigiamos varžos dalyje (krentančioje sekcijoje). Antroji sąlyga – neigiama TD varža turi būti didesnė už teigiamą apkrovos varžą R H (t.y. 1/G > R H).

Fig. 3.11 b parodyta, kaip pasirinkti maitinimo šaltinio įtampą E esant tam tikrai apkrovos varžai R H. Ant TD srovės-įtampos charakteristikos ašių nubrėžti du taškai. Įtampos ašyje rodoma maitinimo šaltinio įtampa E, kuri atitinka diodo įtampą esant trumpam sujungta apkrova RH, o srovės ašyje rodoma srovė E/RH, atitinkanti trumpojo jungimo TD. Šie du taškai yra sujungti tiesia linija, kuri vadinama apkrova. Apkrovos linijos R H sankirta su TD srovės-įtampos charakteristika atitinka jų vienodą srovę (būtina jungiant jas nuosekliai) ir lemia darbo taško padėtį.

Kaip matyti iš fig. 3.11 b, krintančios sekcijos veikimo taškas gali būti pasiektas dviem būdais nubrėžiant krovinio liniją. 1 apkrovos linija, nubrėžta per taškus E 1 ir E 1 /R H2, kerta TD srovės ir įtampos charakteristiką trijuose taškuose A, B ir C. Akivaizdu, kad jungiant maitinimą prie grandinės pirmasis bus darbo taškas A. , kai TD pasipriešinimas yra teigiamas, todėl generacijos nebus.

2 apkrovos linija, nubrėžta tarp taškų E 2 ir E 2 / R H3, kerta TD srovės ir įtampos charakteristiką tik viename taške B. Toks maitinimo įtampos E 2 ir apkrovos R H3 pasirinkimas suteikia galimybę grandinėje atsirasti svyravimų. . Norėdami nustatyti leistiną apkrovos varžą, randame neigiamą TD varžą. Norėdami tai padaryti, mes nustatome bendrą TD varžą, naudodami jo ekvivalentinę grandinę (3.10 pav. c).

Puslaidininkinis diodas yra elektrą konvertuojantis puslaidininkinis įtaisas, turintis vieną išlyginamąją elektros jungtį ir 2 gnybtus.

Puslaidininkinio diodo su elektronų skylės jungtimi struktūra ir įprastas grafinis žymėjimas parodyta fig. 1.2, a, b.

Raidės p ir n žymi sluoksnius su atitinkamai p ir n tipo laidumu.

Paprastai daugumos krūvininkų (skylių p sluoksnyje ir elektronų n sluoksnyje) koncentracijos labai skiriasi. Didesnės koncentracijos puslaidininkinis sluoksnis vadinamas emiteriu, o mažesnis – baziniu.

Toliau apžvelgsime pagrindinius diodo elementus (p-n sandūrą ir netaisyklinį metalo-puslaidininkio kontaktą), fizikinius reiškinius, kuriais grindžiamas diodo veikimas, taip pat svarbias sąvokas, naudojamas apibūdinti diodą.

Gilus fizikinių reiškinių supratimas ir šių sąvokų įvaldymas būtinas ne tik norint teisingai parinkti konkrečius diodų tipus ir nustatyti atitinkamų grandinių veikimo režimus, atliekant tradicinius skaičiavimus viena ar kita technika.

Dėl spartaus šiuolaikinių grandinių modeliavimo sistemų diegimo į inžinerinę praktiką, atliekant matematinį modeliavimą, šiuos reiškinius ir sąvokas būtina nuolat turėti omenyje.

Modeliavimo sistemos sparčiai tobulėja, o elektroninių grandinių elementų matematiniuose modeliuose vis dažniau atsižvelgiama į „subtiliausius“ fizikinius reiškinius. Dėl to labai pageidautina nuolat gilinti žinias aprašomoje srityje ir suprasti pagrindinius fizikinius reiškinius bei vartoti atitinkamas pagrindines sąvokas.

Žemiau pateiktas pagrindinių reiškinių ir sąvokų aprašymas, be kita ko, turėtų paruošti skaitytoją sisteminiam elektroninių grandinių matematinio modeliavimo klausimų tyrimui.

Toliau aptariami reiškiniai ir sąvokos turi būti žinomi tiriant ne tik diodą, bet ir kitus prietaisus.

P-n sandūros struktūra.

Pirmiausia pažvelkime į puslaidininkių sluoksnius, izoliuotus vienas nuo kito (1.3 pav.).

Pavaizduokime atitinkamas juostų diagramas (1.4 pav.).

Buitinėje elektronikos literatūroje juostų diagramų lygiai ir šių lygių skirtumai dažnai apibūdinami potencialais ir potencialų skirtumais, matuojant juos voltais, pavyzdžiui, nurodoma, kad juostos tarpas f 5 siliciui yra lygus 1,11. V.

Tuo pačiu metu užsienio grandinių modeliavimo sistemose įgyvendinamas požiūris, kad nurodyti lygiai ir lygių skirtumai pasižymi vienokia ar kitokia energija ir yra matuojami elektronų voltais (eV), pavyzdžiui, atsakant į tokios sistemos užklausą apie juostos tarpas silicio diodo atveju, vertė 1,11 eV.

Šiame darbe naudojamas vidaus literatūroje priimtas metodas.

Dabar apsvarstykite besiliečiančius puslaidininkio sluoksnius (1.5 pav.).

Susisiekiančiuose puslaidininkio sluoksniuose skylių difuzija vyksta iš sluoksnio p į sluoksnį n, ko priežastis yra ta, kad jų koncentracija p sluoksnyje yra žymiai didesnė už koncentraciją sluoksnyje n (yra skylių koncentracijos gradientas). Panaši priežastis užtikrina elektronų difuziją iš sluoksnio n į sluoksnį p.

Skylių difuzija iš p sluoksnio į sluoksnį n, pirma, sumažina jų koncentraciją sluoksnio p ribinėje srityje ir, antra, dėl rekombinacijos sumažina laisvųjų elektronų koncentraciją sluoksnio n ribinėje srityje. Elektronų difuzija iš sluoksnio n į sluoksnį p duoda panašius rezultatus. Dėl to sluoksnio p ir n sluoksnio ribinėse srityse atsiranda vadinamasis išsekęs sluoksnis, kuriame judrių krūvininkų (elektronų ir skylių) koncentracija yra maža. Išeikvotas sluoksnis turi didelę varžą.

Išsekančio sluoksnio priemaišų jonų nekompensuoja skylės ar elektronai. Bendrai jonai sudaro nekompensuotus erdvės krūvius, sukurdami elektrinį lauką, kurio stiprumas E nurodytas 1 pav. 1.5. Šis laukas neleidžia skylėms pereiti iš sluoksnio p į sluoksnį n ir elektronams iš sluoksnio n į sluoksnį p. Jis sukuria vadinamąjį judriųjų krūvininkų dreifo srautą, perkeldamas skyles iš sluoksnio n į sluoksnį p ir elektronus iš sluoksnio p į sluoksnį n.

Pastovioje būsenoje dreifo srautas yra lygus difuzijos srautui, kurį sukelia koncentracijos gradientas. Asimetrinėje pn sandūroje krūvis sluoksnyje su mažesne priemaišų koncentracija, ty pagrinde, yra platesnis.

Pavaizduokime sluoksnių kontaktų juostų diagramą (1.6 pav.), atsižvelgdami į tai, kad Fermio lygis jiems yra vienodas.

Apžvelgus pn sandūros struktūrą ir ištyrus juostų diagramą (1.6 pav.), matyti, kad pereinamojoje srityje atsiranda potencialo barjeras. Siliciui potencialo barjero aukštis Af yra maždaug 0,75 V.

Priimkime sąlygą, kad kokio nors taško, nutolusio nuo perėjimo sluoksnyje p, potencialas yra lygus nuliui. Nubraižykime potencialo Ф priklausomybę nuo atitinkamo taško x koordinatės (1.7 pav.). Kaip matyti iš paveikslo, koordinatės reikšmė x = 0 atitinka puslaidininkių sluoksnių ribą.

Svarbu pažymėti, kad aukščiau pateiktos juostų diagramos ir potencialo Ф grafikas (1.7 pav.) griežtai atitinka puslaidininkių fizikos literatūroje naudojamą metodą, pagal kurį neigiamą krūvį turinčiam elektronui nustatomas potencialas. .

Elektros inžinerijoje ir elektronikoje tai apibrėžiama kaip lauko jėgų atliktas darbas perduodant vieną teigiamą krūvį.

Nubraižykime Fe potencialo, nustatyto elektroinžineriniu požiūriu, priklausomybę nuo x koordinatės (1.8 pav.).

Žemiau, žymėdami potencialą, praleisime indeksą „e“ ir naudosime tik elektrotechnikos metodą (išskyrus zonų diagramas).

Tiesioginis ir atvirkštinis p-n sandūros sujungimas. Idealizuotas matematinis perėjimo charakteristikų aprašymas.

Prijunkite išorinį šaltinį prie p-n sandūros, kaip parodyta pav. 1.9. Tai vadinamasis tiesioginis p-n sandūros sujungimas. Dėl to potencialo barjeras sumažės reikšme u (1.10 pav.), sumažės dreifo srautas, p-n sandūra pereis į nepusiausvyrinę būseną, o per ją tekės vadinamoji pirmyn srovė.

Prijunkite šaltinį prie p-n sandūros, kaip parodyta pav. 1.11. Tai vadinamasis atvirkštinis p-n sandūros perjungimas. Dabar potencialo barjeras padidės u (1.12 pav.). Nagrinėjamu atveju per pn sandūrą bus labai maža. Tai vadinamasis atvirkštinis, kurį užtikrina šiluminė elektronų ir skylių generacija srityse, esančiose greta pn sandūros srities.

Tačiau erdvės krūviai sukuria elektrinį lauką, kuris savo ruožtu labiausiai paveikia laisvųjų elektros nešėjų judėjimą, t.y. srovės tekėjimo procesą.

Didėjant atvirkščiai, didėja erdvės krūvių plotas (daugiausia dėl pagrindo) ir krūvio kiekis kiekviename puslaidininkio sluoksnyje (p ir n). Šis padidėjimas atsiranda neproporcingai: esant didelio modulio atvirkštinei įtampai, įkrovimas didėjant moduliui didėja lėčiau nei esant mažo modulio atvirkštinei įtampai.

Pateikiame aiškinamąją iliustraciją (1.19 pav.), kur naudojame žymėjimą:

Q – erdvės krūvis puslaidininkio n sluoksnyje;

u yra išorinė įtampa, taikoma p-n sandūrai.

Pažymėkime f funkciją, apibūdinančią Q priklausomybę nuo u. Vadovaujantis aukščiau išdėstytu

Taikant matematinį modeliavimą (ir atliekant rankinius skaičiavimus), patogu ir todėl įprasta naudoti ne šią išraišką, o kitą, gautą iš to diferencijuojant. Praktikoje plačiai naudojama vadinamoji p-n sandūros barjerinė talpa C 6ap, o pagal apibrėžimą C 6ap = | dQ/du | Nubraižykime Q (1.20 pav.) ir C juostos (1.21 pav.) grafikus.

Nepusiausvyrinių elektros nešėjų erdvės krūvio atsiradimo ir kitimo reiškinys. Difuzijos pajėgumas.

Jei išorinis šaltinis pakreipia p-n sandūrą į priekį (u> 0), tada prasideda įpurškimas (išmetimas) - mažumos elektros nešėjų patekimas į nagrinėjamą puslaidininkio sluoksnį. Asimetrinės pn sandūros atveju (kas dažniausiai atsitinka praktikoje), pagrindinis vaidmuo tenka įpurškimui iš emiterio į pagrindą.

Be to, darome prielaidą, kad sandūra yra asimetriška ir kad emiteris yra sluoksnis p, o pagrindas yra sluoksnis n. Tada įpurškimas yra skylių įvedimas į sluoksnį n. Įpurškimo pasekmė yra skylių atsiradimas erdvės krūvio pagrinde.

Yra žinoma, kad puslaidininkiuose atsiranda dielektrinio atsipalaidavimo (Maksvelo atsipalaidavimo) reiškinys, kuris susideda iš to, kad susidaręs erdvės krūvis beveik akimirksniu kompensuojamas artėjančių skirtingo ženklo laisvųjų nešėjų krūviu. Tai įvyksta maždaug per 10 -12 s arba 10 -11 s.

Atsižvelgiant į tai, į bazę patenkančių skylių krūvis bus beveik akimirksniu neutralizuotas tuo pačiu elektronų krūviu.

Mes naudojame tokį žymėjimą:

Q yra nepusiausvyros nešėjų tūrinis krūvis bazėje;

u – išorinė įtampa, taikoma p-n sandūrai;

f yra funkcija, apibūdinanti Q priklausomybę nuo u.

Pateikiame aiškinamąją iliustraciją (1.22 pav.).

Remiantis tuo, kas išdėstyta aukščiau, Q = f(u) Praktikoje patogu ir įprasta vartoti ne šią išraišką, o kitą, gautą iš to diferencijuojant. Šiuo atveju naudojama p-n sandūros difuzinės talpos C diff sąvoka, o pagal apibrėžimą C diff = dQ / du Talpa vadinama difuzine talpa, nes nagrinėjamas krūvis Q yra pagrindas nešėjų difuzijai bazėje.

Patogu ir įprasta Cdiff apibūdinti ne kaip u, o kaip p-n sandūros srovės i funkciją.

Pats krūvis Q yra tiesiogiai proporcingas srovei i (1.23 pav., a). Savo ruožtu i eksponentiškai priklauso nuo u (atitinkama išraiška pateikta aukščiau), todėl išvestinė di / du taip pat yra tiesiogiai proporcinga srovei (eksponentinei funkcijai jos išvestinė yra didesnė, tuo didesnė funkcijos reikšmė). Iš to išplaukia, kad talpa C diff yra tiesiogiai proporcinga srovei i (1.23.6 pav.):

Cdif=i·τ/φт čia φт – temperatūros potencialas (apibrėžtas aukščiau);

τ yra vidutinis skrydžio laikas (plonai bazei) arba gyvavimo laikas (storam pagrindui).

Vidutinis skrydžio laikas yra laikas, per kurį įpurkšti elektriniai nešikliai praeina per bazę, o eksploatavimo trukmė yra laikas nuo elektrinio nešiklio įpurškimo į bazę iki rekombinacijos.

Bendra pn sandūros talpa.

Ši talpa C per yra lygi nagrinėjamų pajėgumų sumai, ty C per = C bar + C dif.

Kai sankryža yra pakreipta atgal (u< 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно С бар < С диф.

Netaisyklinis metalo-puslaidininkio kontaktas.

Norėdami prijungti išorinius gnybtus dioduose, naudojami vadinamieji netaisykliniai (ominiai) metaliniai puslaidininkiniai kontaktai. Tai yra kontaktai, kurių varža praktiškai nepriklauso nei nuo poliškumo, nei nuo išorinės įtampos dydžio.

Netaisyklingų kontaktų gavimas yra ne mažiau svarbus nei p-n sandūrų gavimas. Silicio prietaisams aliuminis dažnai naudojamas kaip kontaktinis metalas. Metalo ir puslaidininkio kontakto savybes lemia elektronų darbo funkcijos skirtumas. Elektrono iš kietojo kūno darbo funkcija yra energijos padidėjimas, kurį turi gauti Fermio lygyje esantis elektronas, kad išeitų iš šio kūno.

Darbo funkciją metalui pažymime A m, o puslaidininkio darbo funkciją padalijus iš elektrono krūvio q, gauname atitinkamus potencialus:

φ m =A m /q,φ n =A n /q

Atsižvelgsime į vadinamąjį kontaktinio potencialo skirtumą φ mn:φ mn=φ m -φ n

Norėdami būti konkretesni, pereikime prie n tipo metalo-puslaidininkio kontakto. Norint gauti neištaisomą kontaktą, turi būti įvykdyta sąlyga φ mn< 0. Изобразим соответствующие зонные диаграммы для неконтактирующих металла и полупроводника (рис. 1.24).

Kaip matyti iš diagramos, energijos lygiai puslaidininkyje, atitinkančiame laidumo juostą, yra užpildyti mažiau nei metale. Todėl sujungus metalą ir puslaidininkį dalis elektronų iš metalo pereis į puslaidininkį. Dėl to padidės elektronų koncentracija n tipo puslaidininkyje.

Taigi padidės puslaidininkio laidumas kontaktinėje srityje, o sluoksnio, kuriame nėra laisvųjų nešėjų, nebus. Paaiškėjo, kad šis reiškinys yra priežastis, dėl kurios kontaktas nebus ištaisomas. Norint gauti netaisyklinį p tipo metalo ir puslaidininkio kontaktą, turi būti įvykdyta sąlyga φmp> 0

apie puslaidininkinių įtaisų projektavimą ir konstravimą

1. Tema: Išlyginamojo difuzinio diodo skaičiavimas.

2. Kursinio projekto pateikimo gynimui terminas:

3. Pradiniai projektavimo duomenys:

3.1 Pasikartojančių impulsų atvirkštinė įtampa: U RRM = 2000 V.

3.2 Didžiausia leistina tiesioginė srovė: I FAV = 350 A.

3.3 Atvirkštinė leistina srovė: I RRM ≤ 3 mA.

3.4 Priekinės įtampos kritimas: U FM ≤ 1,5 V.

4.1 Pirminio kristalo savitosios varžos apskaičiavimas.

4.2 Rektifikuojančio elemento sluoksnių geometrinių matmenų apskaičiavimas.

4.3 Lygintuvo elemento skersmens apskaičiavimas ir diodo korpuso konstrukcijos pasirinkimas.

4.4 Diodo pagrindinių parametrų apskaičiuotų ir nurodytų verčių atitikties patikrinimas ir skaičiavimų koregavimas.

5. Grafinės medžiagos sąrašas.

5.1 Volt-amperinė vienetinio ploto diodo charakteristika.

5.2 Paskirstytos ir pašalintos galios priklausomybės nuo lygintuvo elemento skersmens grafikai.

5.3 Ištaisymo elemento konstrukcija.

SANTRAUKA

Aiškinamajame rašte yra 32 puslapiai spausdinto teksto, 2 paveikslai, 3 lentelės, 3 priedai, panaudoti 3 literatūros šaltiniai.

lygintuvo elementas, eksponentinis modelis, difuzijos profilis, savitoji varža, gedimo įtampa, erdvės krūvio sritis, tiesioginė srovė, diodas.

Kūrimo objektas yra difuzinis lygintuvo diodas.

Darbo tikslas - lygintuvo difuzinio diodo konstrukcija.

Plėtros metodai – analitinis skaičiavimas.

Gauti rezultatai: pagal duotus elektrinius parametrus nustatyti lygintuvo elemento gamybos technologiniai parametrai, sukurta diodo struktūra.

Pagrindinės konstrukcijos ir eksploatacinės charakteristikos: Pasikartojančio impulso atvirkštinė įtampa U RRM = 2000 V, didžiausia leistina tiesioginė srovė I FAV = 350 A, atvirkštinė leistina srovė I RRM ≤ 70 mA, tiesioginis įtampos kritimas U FM ≤ 1,5 V. Originalaus kristalo savitoji varža r = 70 Ohm×cm, konstrukcijos storis W = 270 μm, p-n sandūros gylis x j = 55 μm, difuzijos parametrai Dt = 2,17 × 10 -6 cm -2, lygintuvo elemento skersmuo d B = 24 mm. Maksimali korpuso temperatūra T C = 140°C.

Taikymo sritis: sukurtas diodas gali būti naudojamas bet kurioje galios įrangoje, kur jo naudojimas yra būtinas ir tenkinamos eksploatavimo sąlygos.

Įvadas

1. Teorinė dalis

1.1 Diodo medžiagos pasirinkimas ir originalaus kristalo laidumo tipas

1.2 Pirminio kristalo savitosios varžos nustatymas

1.3 Rektifikuojančio elemento sluoksnių geometrinių matmenų apskaičiavimas

1.4 Lygintuvo elemento skersmens apskaičiavimas ir diodo korpuso konstrukcijos pasirinkimas

1.5 Diodo pagrindinių parametrų apskaičiuotų ir nurodytų verčių atitikties patikrinimas ir skaičiavimų koregavimas

2. Skaičiavimo dalis

2.1 Pirminio kristalo savitosios varžos apskaičiavimas

2.2 Rektifikuojančio elemento sluoksnių geometrinių matmenų apskaičiavimas

2.3 Lygintuvo elemento skersmens apskaičiavimas ir diodo korpuso konstrukcijos pasirinkimas

2.4 Diodo pagrindinių parametrų apskaičiuotų ir nurodytų verčių atitikties patikrinimas ir skaičiavimų koregavimas

Išvada

Naudotų šaltinių sąrašas

A priedas

B priedas

B priedas

ĮVADAS

Šio kursinio projekto tikslas – nustatyti pagrindinius lygintuvo difuzinio diodo elektrinius, technologinius ir eksploatacinius parametrus, remiantis tam tikra struktūra (priemaišų pasiskirstymo pobūdžiu) ir elektrinėmis charakteristikomis.

Puslaidininkinių įtaisų projektavimas yra sudėtinga užduotis, kuriai reikia esminių žinių puslaidininkių ir puslaidininkių įtaisų fizikos, puslaidininkių technologijos ir kt. srityse. Fiziniai procesai puslaidininkiniuose įtaisuose dažniausiai aprašomi netiesinių dalinių diferencialinių lygčių sistema, kuri neturi analitiniai sprendimai. Tikslūs skaičiavimai juose įmanomi tik skaitiniais metodais. Mokymo etape tikslingiau įgyti projektavimo įgūdžius, pagrįstus analitinėmis formulėmis ir išraiškomis, siekiant įtvirtinti puslaidininkinių įtaisų skaičiavimo įgūdžius.

Nepaisant to, kad skaičiavimuose buvo naudojamos analitinės formulės, kurios pritaikomos tik tam tikram aproksimavimui, vis dėlto, dėl įgytų įgūdžių, kiekvienu konkrečiu atveju buvo parinkti tie koeficientai, kurie duoda mažiausią skaičiavimo paklaidą. Dėl to buvo sukurtas diodas, kurį galima lengvai pagaminti standartiniu technologiniu ciklu, o visos elektrinės ir eksploatacinės charakteristikos atitiks nurodytas.

Projekto ekonominė analizė nebuvo atlikta.

Darbe nėra naujovių, nes projektavimas atliktas remiantis moksline literatūra.

1. TEORINĖ DALIS

1.1 Diodo medžiagos pasirinkimas ir originalaus kristalo laidumo tipas

Šiuo metu lygintuvų diodai beveik visiškai pagaminti iš germanio ir silicio. Tokios medžiagos kaip galio arsenidas ir silicio karbidas dar nėra plačiai naudojamos dėl sudėtingų gamybos ir perdirbimo technologijų.

Silicio lygintuvai turi daug privalumų, palyginti su germanio diodais. Dėl to, kad silicio diapazonas yra didesnis, silicio diodų darbinė temperatūra yra aukštesnė (iki 190 °C, palyginti su 85 °C germanio diodų atveju). Dėl to jie gali veikti esant didesniam srovės tankiui į priekį.

Dėl platesnės juostos tarpo silicyje vidinių krūvininkų koncentracija n i yra dviem eilėmis mažesnė nei germanio, todėl silicio diodų atvirkštinė srovė tūkstančius kartų mažesnė nei germanio diodų. Silicio diodai atlaiko aukštą atvirkštinę įtampą, kurią lemia p-n sandūros griūtis. Nors germanio dioduose (dėl santykinai didelių atvirkštinių srovių) terminis gedimas gali išsivystyti anksčiau. Tai palengvina ir mažesnė germanio šilumos laidumo koeficiento vertė.

Silicio diodų trūkumas yra gana didelis įtampos kritimas į priekį. Dėl juostos tarpo skirtumo silicio p-n sandūrose potencialo barjero aukštis (esant tokiam pačiam bazinių sričių dopingo lygiui) yra 1,5 - 2,0 karto didesnis nei potencialo barjero aukštis germanio p-n sandūrose. Įtampos kritimas per p-n sandūrą silicio dioduose bus maždaug tiek pat kartų didesnis.

Lygintuvų diodų šaltinio kristalas gali turėti n ir p tipo laidumą. Bet kadangi germanyje ir silicyje elektronų mobilumas pastebimai viršija skylių mobilumą, geriau naudoti elektroninio laidumo tipo šaltinius, nes tokiu atveju įtampos kritimas bus mažesnis.

Pradinio kristalo laidumo tipo pasirinkimą gali įtakoti puslaidininkio paviršiaus būklė. Silicio p - n sandūrose silicio okside arba silicio ir silicio dioksido sąsajoje beveik visada yra didelis teigiamas krūvis, kuris gali žymiai sumažinti paviršiaus skilimo įtampą p + -n sandūrose (jei difuzija buvo atlikta į pradinę n tipo kristalas) arba sukelti inversijos kanalo susidarymą ir staigų atvirkštinės srovės padidėjimą n + - p sandūrose (jei difuzija buvo atlikta į pradinį p tipo laidumo kristalą). Jei pirmuoju atveju galima naudoti pakankamai išvystytus paviršiaus gedimo pašalinimo metodus, tai pastaroji aplinkybė labai apsunkina aukštos įtampos p-n sandūrų su mažomis atvirkštinėmis srovėmis sukūrimą. Todėl, norint sukurti aukštos įtampos diodus, geriau pasirinkti originalų elektroninio laidumo tipo silicį.

1.2 Pirminio kristalo savitosios varžos nustatymas

Šaltinio kristalo savitoji varža turi įtakos daugeliui lygintuvo diodo parametrų: tiesioginės įtampos kritimo, atvirkštinės srovės, talpos ir kt. Tačiau nuo to labiausiai priklauso p-n sankryžos U B lavinos pramušimo įtampa, todėl pasirinkimas šaltinio kristalo savitoji varža daroma tada lavinos pramušimo įtampa.

Lavinos gedimo įtampa nustatoma pagal nurodytą pasikartojančio impulso atvirkštinės įtampos U rrm vertę:

kur k yra saugos koeficientas.

Saugos koeficiento reikšmė parenkama lygi 0,75 - 0,80.

Difuzinės p-n sandūros lavinos pramušimo įtampa priklauso ne tik nuo pirminio kristalo savitosios varžos, bet ir nuo difuzinės priemaišos pasiskirstymo pobūdžio.

Difuzijos (ypač aukštos įtampos) pn sandūrų priemaišų profiliai erdvės krūvio srityje yra tiksliausiai aproksimuojami eksponentu. Tada gauta priemaišų koncentracija, pavyzdžiui, akceptoriaus priemaišos difuzijos į n tipo pradinę medžiagą atveju, yra tokia:

čia x j yra p-n sandūros gylis nuo paviršiaus;

N 0 , λ - aproksimacijos parametrai.