Емкость диода: 8.Барьерная и диффузионная емкости диода.

8.Барьерная и диффузионная емкости диода.

Полупроводниковый диод инерционен по отношению к достаточно быстрым изменениям тока или напряжения, поскольку новое распределение носителей устанавливается не сразу. Как известно , внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину объемных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции или экстракции меняются заряды в области базы (роль зарядов в эмиттере мало существенна). Следовательно, диод обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно p-n переходу. Эту емкость можно разделить на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение зарядов в базе. Такое разделение в общем условное, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при разных полярностях приложенного напряжения. При прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и соответственно — диффузионная емкость.

При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Заметим заранее, что обе емкости не линейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная — от обратного напряжения.

Определим величину барьерной емкости, считая переход несимметричным типа n⁺-p. Тогда протяженность отрицательного заряда в базе р-типа можно считать равной всей ширине перехода: . Запишем модуль этого заряда:

, (3.47)

где N — концентрация примеси в базе; S — площадь перехода. Такой же (но положительный) заряд будет в эмиттерном слое.

Представим, что эти заряды расположены на обкладках воображаемого конденсатора, емкость которого можно определить как

Учитывая выражение ширины перехода при обратном включении, и дифференцируя заряд Q по напряжению, окончательно получаем:

(3.48)

где и соответственно ширина и высота потенциального барьера при равновесном состоянии.

При определении диффузионной емкости будем учитывать, что перераспределение заряда в базе происходит за счет инжекции неосновных носителей в базу. Поскольку база р — типа , то неосновными носителями являются электроны. Тогда для толстой базы приращение концентрации определится из формулы (3.6а), в которой при условии можно пренебречь 1.

Определим как

При

(3.49)

Тогда

. (3.50а)

Учитывая значение теплового тока (3.11в) для толстой базы и связь , окончательно получим:

, (3.50б)

где диффузионный электронный ток в толстой базе;

 — время жизни неосновных носителей в базе.

В случае тонкой базы с учетом формулы (3.6б) при условии U>>

Tопределится как

(3.51)

Дифференцируя заряд по напряжению, и учитывая значение теплового тока для тонкой базы (3. 11б), окончательно получаем:

(3.52)

где диффузионный электронный ток в тонкой базе;

среднее время диффузии или время пролета носителей через тонкую базу при чисто диффузионном механизме движения.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его полную эквивалентную схему для переменного тока (рис.3.10а).

Рис.3.10а.

Сопротивление R₀ в этой схеме представляет суммарное сравнительно небольшое сопротивление n- и p- областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление R

нл при прямом включении равно R_пр, т.е. невелико, а при обратном напряжении R_нл= R_обр, т.е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частотных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и емкость можно не учитывать. Тогда при прямом смещении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀ и R_пр (рис. 3.10б),

Рис.3.10б.

а при обратном напряжении – только сопротивление R_обр, так как R₀<< R_обр (рис.3.10в).

Рис.3.10в.

На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис.3.10г, (если частота не очень высокая, то С

диф практически не влияет),

Рис.310г.

а при обратном остаются R_обр и С_б (рис.3.10д).

Рис.3.10д.

Следует иметь ввиду, что существует еще емкость С_в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.

9. Классификация диодов.

Классификация диодов проводится в основном:

1) по технологическим методам создания электрических переходов и диодных структур

2) по выполняемой функции диодов.

По технологии изготовления диоды могут быть точечными и плоскостными. Основные характеристики точечных диодов: площадь p-n-перехода мала, имеют малую емкость (менее 1пФ), малые токи (не более 1 или десятков мА). Применяются на высоких частотах вплоть до свч. Технология: к пластинке германия n-типа или кремния n-типа приваривается при помощи большого импульса тока вольфрамовая нить, покрытая акцепторной примесью (для германия- индий, для кремния- алюминий).

Плоскостные диоды: технология изготовления может быть либо вплавление, либо диффузия. При вплавлении на очищенную поверхность полупроводниковой пластинки обычно n-типа помещается таблетка металлического акцепторного материала, например алюминий, если полупроводник кремний. При нагревании до 600…700⁰С она расплавляется и растворяет в себе прилегающий слой кремния, температура плавления которого значительно выше. После охлаждения у поверхности пластинки слой кремния р⁺-типа, насыщенный алюминием (эмиттер р-типа, база- n-типа).

Диффузия: примесные атомы поступают обычно из газовой среды в полупроводниковую пластинку через ее поверхность при высокой температуре (около 1000 ⁰) и распространяются вглубь вследствие диффузии, т.е. теплового движения. Процесс осуществляется в специальных диффузионных печах, где с высокой точностью поддерживается температура и время процесса. Чем больше время и температура, тем дальше примеси проникают в глубь пластины. Диффузионный p-n-переход получается плоским, а его площадь велика и равна площади исходной пластины, рабочие токи достигают десятков ампер.

По выполняемой функции различают диоды выпрямительные, импульсные, преобразовательные, переключательные, детекторные диоды, стабилитроны, варикапы и т.д. Отдельные классы диодов могут подразделяться на подклассы в зависимости от диапазона рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ-диоды, диоды оптического диапазона). Различают диоды также по полупроводниковому материалу: наиболее широко применяется кремний, вытесняющий распространенный ранее германий.

Кремниевые диоды имеют большую максимальную рабочую температуру (Si – 125…150⁰C, Ge – 70…80⁰C) и на несколько порядков меньший обратный ток. Непрерывно увеличивается число диодов на арсениде галлия (в частности, металл-полупроводниковых), превосходящих по параметрам кремниевые диоды.

Рассмотрим некоторые типы диодов и их основные параметры.

Пробой и емкость диода

Пробой диода (p—n перехода)

Рис. 1. Теоретическая и реальная вольтамперная характеристика p-n перехода.

На графике прямой ветви реальной вольтамперной характеристики видно, что сопротивление открытого диода больше сопротивления, определяемого по теоретической кривой. Это связано с влиянием объёмного сопротивления

n— и p-областей полупроводника. При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением I_пр._max при заданных условиях охлаждения.

Обратная ветвь отличается от теоретической характеристики по двум причинам: генерация носителей зарядов в переходе и его электрический пробой.

Количество носителей заряда, генерируемых в электронно-дырочном переходе, пропорционально объему запирающего слоя. Он, в свою очередь, зависит от ширины p-n перехода, но так как она пропорциональна , то ток генерации свободных зарядов

I_ген будет расти при увеличении обратного напряжения. Поэтому при увеличении обратного напряжения на вольтамперной характеристике реального диода наблюдается небольшой рост обратного тока. Кроме того, обратный ток диода увеличивается из-за тока утечки по поверхности кристалла.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине U_проб начнется его быстрое увеличение (рис. 1), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

Тепловой пробой. Если количество тепла, выделяющегося в р-n-переходе, превышает количество тепла, отводимого от него, то разогрев перехода приводит к росту процесса генерации носителей и, следовательно, к увеличению силы тока, текущего через переход, что в свою очередь ведет к дальнейшему повышению температуры и т. д. В итоге такого лавинообразно развивающегося перегрева сила тока продолжает возрастать и наступает разрушение материала полупроводника. Тепловой пробой может возникнуть самостоятельно, но может оказаться и следствием развивающегося электрического пробоя. Поэтому обычно в цепь р-n-перехода последовательно включают ограничительный резистор, сопротивление которого подбирается так, чтобы сила тока не превосходила допустимого значения.

Поверхностный пробой. Лавинный или туннельный электрический пробой p-n-перехода может происходить не только в объеме полупроводника, но и по его поверхности. На поверхностный пробой значительное влияние может оказать искажение электрического поля в p-n-переходе поверхностными зарядами. Наличие поверхностного заряда связано с обрывом кристаллической решетки и с наличием в ней дефектов и примесей (особенно адсорбированных молекул воды). В определенных случаях поверхностный заряд приводит к сужению запорного слоя у поверхности и увеличению в приповерхностной области напряженности поля, благодаря этому пробой у поверхности начинается при меньших значениях обратного напряжения смещения, чем в объеме. Для уменьшения вероятности поверхностного пробоя применяют различные защитные покрытия, предотвращающие проникновение на поверхность p-n-перехода влаги и различных активных примесей.

Существуют два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой возникает в широких p-n переходах, образованных полупроводниками с небольшой концентрацией примесей. Он возникает тогда, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины p-n перехода. За время свободного пробега электроны приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решетки полупроводника в p-n переходе. Образовавшаяся при этом пара свободных носителей заряда “электрон – дырка” тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока.

Туннельный пробой своим происхождением обязан так называемому туннельному эффекту. Возникает этот эффект благодаря непосредственному воздействию сильного электрического поля на атомы кристаллической решетки полупроводника в р-n-переходе. Под действием этого поля происходит разрыв валентной связи и электрон становится свободным носителем, переходя в межузельное пространство и оставляя на своем месте дырку. Зонная схема туннельного пробоя приведена на рисунке 2. Электроны из валентной зоны p-полупроводника переходят, не изменяя свою энергию, в зону проводимости полупроводника n-типа, пересекая запрещенную зону р-n-перехода. Необходимым условием туннельного перехода является незанятость в зоне проводимости n-полупроводника энергетического уровня, соответствующего энергии переходящего из р-области электрона.

Рис. 2. Зонная диаграмма тунельного пробоя.

Туннельный пробой наблюдается в узких р-n-переходах, которые могут быть созданы только на границе раздела высоколегированных областей (высокая концентрация примесей). Для того чтобы вызвать туннельный пробой, необходимо создать поле с напряженностью порядка 10⁵-10⁶ В/см. Поскольку туннельный пробой возникает только в узких переходах порядка 10^-5-10^-6 см, то для получения пробивных значений напряженности поля оказывается достаточной обратная разность потенциалов всего в несколько вольт.

Так как свойства p-n-перехода после электрического пробоя (лавинного или туннельного) восстанавливаются при выключении обратного напряжения, то в технике во многих случаях p-n-переход используется именно в режиме пробоя (полупроводниковые стабилитроны, туннельные обращенные диоды и пр.).

Емкость диода (p—n перехода)

Изменение внешнего напряжения на p-n переходе dU приводит к изменению заряда на границе p-n перехода. Т.е. p-n переход ведет себя как конденсатор, емкость которого С=dQ/dU.

В зависимости от природы заряда различают две емкости: барьерная и диффузионная.

Барьерная ёмкость определяется нескомпенсированными зарядами ионов примеси вблизи p-n перехода и изменяется при изменении его толщины под воздействием запирающего напряжения. Идеальный p-n переход при анализе можно представить в виде плоского конденсатора, емкость которого вычисляется при помощи следующей формулы:

С_бар = ε_оεS/d,

где d – толщина запирающего слоя.

С ростом обратного напряжения ширина запирающего слоя увеличивается и, следовательно барьерная емкость уменьшается.

Рис. 3. Зависимость барьерной ёмкости от напряжения

Зависимость барьерной ёмкости от напряжения широко используется в радиоэлектронной технике. Изготавливаются специальные электронные приборы: варикапы, основным свойством которых является изменение ёмкости от напряжения. Это свойство используется в генераторах, управляемых напряжением и частотных модуляторах.

В других электронных приборах, таких как выпрямительные диоды, биполярные и полевые транзисторы, барьерная ёмкость p-n перехода является фактором, ограничивающим частотный диапазон прибора, и её стараются уменьшать. Барьерная емкость увеличивается при увеличении концентрации примеси N_А и N_Д, и уменьшается при уменьшении концентрации.

Диффузионная емкость. Прямое включение p-n перехода приводит к тому, что значительное количество основных носителей заряда диффузионно переходят в соседнюю область, т.к. потенциальный барьер на границе снижается. Растет ток диффузии. При этом ток дрейфа не изменяется, т.к. он зависит только от количества неосновных носителей заряда на границе p-n перехода. Дополнительная диффузия приводит к введению неосновных носителей заряда в соответствующие области: электронов в p область и дырок в n область полупроводника.

Повышение концентрации неосновных носителей заряда в p— и n-областях при прямом включении напряжения называется инжекцией.

При протекании диффузионного тока через p-n переход, при подаче напряжения в прямом направлении, растет концентрация неосновных носителей заряда, инжектированных в p— и n-области.

Это приводит к накоплению заряда вблизи p-n перехода. Это явление можно рассматривать как появление дополнительной емкости, а так как она образуется диффузионным током, то эта ёмкость получила название диффузионной.

Рис. 4. Зависимость диффузионной ёмкости от напряжения

Полная емкость p-n перехода определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей:

C_пер = C_бар + C_диф

При прямом включении p-n перехода преобладает диффузионная емкость, а при обратном — барьерная.

Если сравнивать C_бар << C_диф

диффузионная емкость

Емкость p-n перехода оказывает серьезное влияние на быстродействие полупроводниковых приборов. С этой точки зрения контакт металл полупроводник выгодно отличается от p-n контакта. Для создания выпрямляющего контакта между металлом и полупроводником n-типа должно выполняться условие W_мет W_п/п . В таком контакте инжекция неосновных носителей отсутствует, так как прямой ток – это движение основных носителей заряда — электронов. Поэтому такой контакт обладает только барьерной емкостью. Такие полупроводниковые приборы обладают высоким быстродействием, так как нет накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.

Диоды высокого качества получают при контакте кремния с молибденом, золотом, платиной и нихромом.

Диоды с переменной емкостью (варикап диоды) | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

Эта страница частично использует JavaScript. Эта страница может работать неправильно, если эти функции не поддерживаются вашим браузером или настройка отключена.​
Пожалуйста, ищите необходимую информацию на следующих страницах:

Диод с переменной емкостью представляет собой продукт, в котором используются характеристики емкости обедненного слоя. Слой обеднения возникает в p-n переходе диода при приложении напряжения в обратном направлении, а толщина изменяется пропорционально обратному напряжению.

Следовательно, при увеличении приложенного обратного напряжения емкость уменьшается. Это та же функция, что и увеличение расстояния между двумя электродами конденсатора. И наоборот, если обратное напряжение становится низким, емкость увеличивается.

Используется для настройки цепей и т. д. Поскольку частотные характеристики изменяются при изменении емкости, требуется большой коэффициент изменения емкости по сравнению с обычным диодом.

Рис. 2-8(a) Электрическая характеристика диода переменной емкостиРис. 2-8(b) Обозначение диода переменной емкостиРис. 2-8(c) Связь между обедненным слоем и емкостью диода с переменной емкостью

Важными характеристиками диода с переменной емкостью являются не прямое напряжение В _F  и характеристики переключения как у обычного диода, но значение емкости и ее изменение (зависимость от напряжения).

Глава II: Диоды

Функции выпрямительных диодов

Подробности

Прямая характеристика выпрямительных диодов (I _F -V _F Характеристика)

Подробности

FRD (диоды с быстрым восстановлением)

Подробности

Диоды регулятора напряжения (стабилитроны)

Подробности

Диод TVS (диод защиты от электростатического разряда)

Подробности

Разница между TVS-диодами и стабилитронами (1)

Подробности

Разница между TVS-диодами и стабилитронами (2)

Подробности

Диоды с барьером Шоттки (SBD)

Подробности

Характеристики обратного восстановления диодов с барьером Шоттки (SBD)

Подробности

Разница в зависимости от металла диодов с барьером Шоттки (SBD)

Подробности

Характеристики Применение различных диодов

Подробности

• Глава I: Основы полупроводников
• Глава III: Транзисторы
• Глава IV: ИС локального источника питания
• Глава V: Изоляторы/Твердотельные реле

Связанная информация

Откроется новое окно

Емкость диодного перехода | Переходная емкость и диффузионная емкость

Электроника приборы и схемы >> Полупроводники диоды >> Диод емкость перехода

В р-н переходный диод, имеют место два типа емкости. Они есть,

• Переход емкость (К _Т )
• Распространение емкость (C _D )

Переход емкость (C

_T )

We знаю, что конденсаторы накапливать электрический заряд в виде электрического поле. Это накопление заряда осуществляется с помощью две электропроводящие пластины (расположенные близко к друг от друга), разделенные изоляционным материалом, называемым диэлектрик.

проведение пластины или электроды конденсатора являются хорошими проводниками электричество. Поэтому они легко пропускают электрический ток через них. С другой стороны, диэлектрический материал или среда является плохим проводником электричества. Поэтому не позволяет электрический ток через него. Однако эффективно позволяет электрическое поле.

Когда на конденсатор подается напряжение, носители заряда начинает течь по проводнику. Когда эти заряды носители достигают электродов конденсатора, они испытывают сильное противодействие со стороны диэлектрика или изолирующий материал. В результате большое количество зарядов носители захвачены электродами конденсатора. Эти носители заряда не могут перемещаться между пластинами. Однако они создает электрическое поле между пластинами. Носители заряда которые попадают в ловушку вблизи диэлектрического материала, будут накапливать электрический заряд. Способность материала накапливать электроэнергию. заряд называется емкостью.

В основной конденсатор, емкость которого прямо пропорциональна размер электродов или пластин и обратно пропорциональна расстояние между двумя пластинами.

Просто как конденсаторы, наоборот Диод со смещенным p-n переходом также накапливает электрический заряд при истощение область, край. Область истощения состоит из неподвижных положительные и отрицательные ионы.

В обратном смещении p-n переходный диод, области p-типа и n-типа имеют низкую сопротивление. Следовательно, области p-типа и n-типа действуют как электроды или проводящие пластины конденсатора. область обеднения диода p-n перехода имеет высокие сопротивление. Следовательно, область истощения действует как диэлектрический или изоляционный материал. Таким образом, диод с p-n переходом можно рассматривать как плоский конденсатор.

В области обеднения, электрические заряды (положительные и отрицательные ионы) не перемещаются из одного места в другое. Однако, они создают электрическое поле или электрическую силу. Следовательно, заряд хранится в области истощения в виде электрического поле. Способность материала накапливать электрический заряд определяется называется емкостью. Таким образом, существует емкость на область истощения.

емкость в области истощения изменяется с изменением применяемого Напряжение. При подаче напряжения обратного смещения на p-n переход диод увеличен, большое количество отверстий (основные носители) с p-стороны и электроны (основные носители) с n-стороны отодвигаются от p-n перехода. Как В результате ширина обедненной области увеличивается, тогда как размер р- и n-областей (пластин) уменьшается.

Мы знать, что емкость означает способность накапливать электрический заряжать. Диод с p-n переходом с малой шириной обеднения и большие области p-типа и n-типа будут хранить большое количество электрический заряд, тогда как диод с p-n переходом с широким ширина истощения и небольшие области p-типа и n-типа будут хранить только небольшое количество электрического заряда. Следовательно емкость диода обратного смещения p-n перехода уменьшается при увеличении напряжения.

В а вперед смещенный диод, переходная емкость существует. Однако, переходная емкость очень мала по сравнению с диффузионная емкость. Следовательно, переходная емкость пренебречь в прямом смещении диода.

величина емкости, изменяющаяся с увеличением напряжения, равна называется переходной емкостью. Переходная емкость также известная как емкость обедненной области, переход емкость или барьерная емкость. Переходная емкость обозначается как C _Т .

изменять емкости в обедненной области можно определить как изменение электрического заряда на изменение напряжения.

CT = dQ / dV

Где,

CT = переходная емкость

dQ = Изменение электрического заряда

dV = изменение напряжения

переход емкость может быть математически записана как

C _T = ε A / W

Где,

ε = диэлектрическая проницаемость полупроводника

A = Площадь пластин или областей p-типа и n-типа

Ш = ширина области обеднения

Диффузия емкость (С

_D )

Распространение емкость происходит в диоде с p-n переходом, смещенным в прямом направлении. Распространение Емкость также иногда называют накопительной емкостью. Обозначается как C _D .

В диод с прямым смещением, диффузионная емкость намного больше чем переходная емкость. Следовательно, диффузионная емкость рассматривается в прямом смещении диода.

распространение емкость возникает из-за накопленного заряда неосновных электронов и неосновные дыры вблизи обедненной области.

Когда на диод с p-n переходом подается прямое напряжение смещения, электроны (основные носители) в n-области переместятся в р-области и рекомбинирует с дырками. В подобном Таким образом, дыры в p-области переместятся в n-область и рекомбинирует с электронами. В результате ширина истощения область уменьшается.

электроны (основные носители), которые пересекают обедненную область и войти в р-регион станут миноритарными перевозчиками р-область аналогично; дыры (основные носители), которые пересечь область истощения и войти в n-область будет становятся миноритариями русского региона.

А большое количество носителей заряда, которые пытаются перейти в другая область будет накапливаться рядом с областью истощения прежде чем они рекомбинируют с основными носителями. Как результат, большое количество заряда накапливается с обеих сторон область истощения.

накопление дырок в n-области и электронов в p-области разделяет очень тонкая обедненная область или обедненный слой. Эта область истощения действует как диэлектрик или изолятор конденсатора и заряда хранится по обеим сторонам истощающего слоя, действует как проводящие пластины конденсатора.

Распространение емкость прямо пропорциональна электрическому току или приложенному Напряжение. Если через диод протекает большой электрический ток, большое количество заряда накапливается вблизи истощения слой.