Характеристики и параметры полупроводникового диода

Вольт-амперная характеристика (ВАК) полупроводнико­вого диада на постоянном токе (статическая характерис­тика). Вольт-амперная характеристика — это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения и, при­ложенного к диоду (рис. 1.25). Вольт-амперной характе­ристикой называют и график этой зависимости.

Вначале будем полагать (см. рис. 1.25), что обратное на­пряжение (и < 0) по модулю меньше напряжения пробоя p-n-перехода. Тогда в первом приближении можно счи­тать, что вольт-амперная характеристика диода определяется уже рассмотренным идеализированным описанием характеристики р-п-перехода:

Тепловой ток i_s обусловлен генерацией неосновных носителей в областях, прилегающих к области р-и-пере-хода. Однако часто это идеализированное описание дает неприемлемую погрешность. Особенно большая погреш­ность возникает при вычислении тока диода, включенного в обратном направлении (и < 0, i < 0). Вычисленный по рассматриваемому выражению ток (i = i_s при |и| >> f_T) для кремниевых диодов оказывается на несколько поряд­ков меньше реального. В то же время стоит отметить, что в некоторых расчетах обратным током вообще можно пре­небречь.

Укажем причины отличия характеристик реальных ди­одов от идеализированных. Обратимся к прямой ветви вольт-амперной характеристики диода (и > 0, i > 0). Она отличается от идеализированной из-за того, что в реаль­ном случае на нее влияют:

• сопротивления слоев полупроводника (особенно
базы);

• сопротивления контактов металл-полупроводник.

Важно отметить, что сопротивление базы может суще­ственно зависеть от уровня инжекции (уровень инжекции показывает, как соотносится концентрация инжектиро­ванных неосновных носителей в базе на границе перехо­да с концентрацией основных носителей в базе). Влияние

указанных сопротивлении приводит к тому, что напряжение на реальном диоде при заданном токе несколько больше (обычно на доли вольта), чем это следует из формулы.

Обратимся к обратной ветви (и < 0, i < 0). Основные причины того, что реально обратный ток обычно на не­сколько порядков больше тока i_s следующие:

• термогенерация носителей непосредственно в обла­сти p-n-перехода;

• поверхностные утечки.

Термогенерация в области p-n-перехода оказывает су­щественное влияние на ток потому, что область перехода обеднена подвижными носителями заряда, и процесс ре­комбинации (обратный процессу генерации и в опреде­ленном смысле уравновешивающий его) здесь замедлен.

При комнатной температуре для кремниевых приборов ток термогенерации обычно существенно превышает тепловой ток i_s.

Для ориентировочных расчетов можно считать, что с повышением температуры ток i_s удваивается примерно на каждые 5 ^oС, а ток термогенерации удваивается примерно на каждые 10 ^oС. При температуре около 100 ^oС ток i_s срав­нивается с током термогенерации.

Поверхностные утечки часто составляют подавляющую долю обратного тока. Их причинами являются:

• поверхностные энергетические уровни, обеспечива­ющие активные процессы генерации и рекомбина­ции;

• молекулярные и ионные пленки, шунтирующие
р-и-переход.

При увеличении модуля обратного напряжения ток утечки вначале изменяется линейно, а затем более быст­ро. Ток утечки характеризуется так называемой «ползуче­стью» — изменением в течение времени от нескольких се­кунд до нескольких часов.

При практических ориентировочных расчетах иногда принимают, что общий обратный ток кремниевого диода увеличивается в 2 раза или в 2,5 раза на каждые 10 ^oС.

Для примера изобразим характеристики выпрямитель-ногo кремниевого диода Д229А при различных темпера­турах (максимальный средний прямой ток — 400 мА, мак­симальное импульсное обратное напряжение — 200 В). Прямые ветви характеристик представлены на рис. 1.26, а обратные (до режима пробоя) — на рис. 1.27.

Обратимся к режиму пробоя полупроводникового ди­ода и соответствующему участку обратной ветви вольт-амперной характеристики (на рис. 1.27 этот участок не показан).

Диоды многих конкретных типономиналов не предназ­начены для работы в режиме пробоя. Для них этот режим работы — аварийный. Если при пробое ток в цепи не ог­раничивается (например, внешним сопротивлением), то диод выходит из строя. В таких приборах при чрезмерном увеличении обратного напряжения (по модулю) практи­чески сразу же начинается тепловой пробой (участок элек­трического пробоя практически отсутствует).

Напряжение начала пробоя для рассматриваемых дио­дов — величина нестабильная (пробой начинается при u=-u_проб, где u_проб так называемое напряжение пробоя — положительная величина). Изобразим соответствую­щую вольт-амперную характеристику (рис. 1.28).

Диоды некоторых конкретных типов спроектированы с расчетом на работу в режиме лавинного пробоя в тече­ние некоторого короткого времени. Такие диоды называ­ют лавинными. Если отрезок времени, в течение которо­го диод находится в режиме лавинного пробоя, невелик, то его p-n-переход не успевает перегреться и диод не вы­ходит из строя. Иначе лавинный пробой перейдет в теп­ловой и диод выйдет из строя. Изобразим вольт-амперную характеристику для лавинного диода (рис. 1.29).

Лавинные диоды, как правило, более надежны в срав­нении с обычными (кратковременные перенапряжения не выводят лавинный диод из строя).

Для некоторых конкретных типов диодов режим про­боя является основным рабочим режимом. Это так назы­ваемые стабилитроны, рассматриваемые ниже.

Зависимость барьерной емкости диода от напряжения. Приведем график зависимости общей емкости Сд крем­ниевого диода 2Д212А от обратного напряжения (основ­ной вклад в общую емкость вносит барьерная емкость) (рис. 1.30).Для этого диода максимальный постоянный (средний) прямой ток — 1 А, максимальное достоянное (импульсное) обратное напряжение — 200 В.

Временные диаграммы тока и напряжения диода при его переключении. Обратимся к схеме на рис. 1.31. Предпола­гается, что вначале ключ К подключает источник напря-

жения и_1, а затем, в момент времени t = 0, источник на­пряжения u₂.

Предполагается также, что напряжения u₁ и и₂ значительно больше прямого падения напряжения на диоде. Изобра­зим соответствующие временные диаграммы (рис. 1.32).

До момента времени t = 0 протекает ток i₁, который с уче­том принятого условия u₁ >> и определяется выражением

Сразу после переключения ключа К и в течение так называемого времени рассасывания t_pac протекает ток i₂,

 

который ограничивается практически только сопротивлением R, т.е.

В этот отрезок времени в базе диода уменьшается (рас­сасывается) заряд накопленных при протекании тока i₁ неравновесных носителей. Заряд уменьшается в результате рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмит­тер.

По истечении времени t_рас концентрация неосновных носителей в базе на границе p-n-перехода становится рав­ной равновесной. В глубине же базы неравновесный за­ряд еще существует Длительность времени рассасывания прямо пропорциональна среднему времени жизни не­основных носителей в базе и зависит от соотношения то­ков i₁ и i₂ (чем больше по модулю ток i₂ тем меньше, при заданном токе i₁ время рассасывания).

В момент времени t₁ напряжение на диоде начинает быстро возрастать по модулю, а ток i уменьшаться по мо­дулю (спадать). Соответствующий отрезок времени t_сп на­зывают временем спада. Время спада отсчитывают до того момента t₂ которому соответствует достаточно малое (по модулю) значение тока i_3. Время спада зависит от вре­мени жизни носителей, а также от барьерной емкости ди­ода и от сопротивления R схемы. Чем больше указанные емкость и сопротивление R, тем медленнее спадает ток.

Отрезок времени t_вос = t_рас + t_сп называется временем восстановления (временем обратного восстановления).

После завершения переходного процесса (момент вре­мени t₃) через диод течет ток i_обр.уcm — обратный ток в ус­тановившемся режиме (определяемый по статической вольт-амперной характеристике диода).

Для упомянутого выше диода 2Д212А типовое время восстановления — 150 нс (150 • 10^-9с) при i₁ = 2 А (им­пульсный ток) и i₂ = 0,2 А.

Параметры диодов. Для того, чтобы количественно оха­рактеризовать диоды, используют большое количество (измеряемое десятками) различных параметров. Некото­рые параметры характеризуют диоды самых различных подклассов. Другие же характеризуют специфические свойства диодов только конкретных подклассов.

Укажем наиболее широко используемые параметры, применяемые к диодам различных подклассов:

I_{пр.макс.} — максимально допустимый постоянный прямой ток;

U_np — постоянное прямое напряжение, соответствую­щее заданному току;

U_{обр.макс} — максимально допустимое обратное напряже­ние диода (положительная величина);

I_{обр.макс} -- максимально допустимый постоянный обрат­ный ток диода (положительная величина; если реальный ток больше, чем I_{обр.макс.}, то диод считается непригодным к использованию);

r_диф,— дифференциальное сопротивление диода (при заданном режиме работы).

В настоящее время существуют диоды, предназначен­ные для работы в очень широком диапазоне токов и на­пряжений. Для наиболее мощных диодов- I_{пр.макс} составля­ет килоамперы, а U_{обр.макс} — киловольты